风力发电机及其系统讲解

RCC异步风力发电机系统的特点
优点：
（1）风速变化引起风轮转矩脉动的低频分量由变 桨调速机构调节，其高频分量由RCC调节，可 明显减轻桨叶应力，平滑输出电功率; （2）利用风轮作为惯性储能元件，吞吐伴随转子 转速变化形成的动能，提高风能利用率； （3）电力电子主回路结构简单，不需要大功率电 源。
缺点：
双馈发电机的效率曲线
双馈发电机效率曲线
100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 0 200 400 600 800 负载功率(kW) 1000 1200 1400 1600
效率(%)
双馈异步风力发电机系统的特点
（1）连续变速运行，风能转换率高； （2）部分功率变换，变流器成本相对较低； （3）电能质量好（输出功率平滑，功率因数高）； （4）并网简单，无冲击电流； （5）降低桨距控制的动态响应要求； （6）改善作用于风轮桨叶上机械应力 状况 ； （7）双向变流器结构和控制较复杂； （8）电刷与滑环间存在机械磨损。
谢谢！
旋转电力电子开关电路检修、更换困难。
双馈异步风力发电机系统
系统主回路构成： 双馈异步发电机 ＋交直交双向功率变换器
双馈异步风力发电机系统
国产1MW双馈异步风力发电机
双馈异步风力发电机的运行原理
引入转子交流励磁变流器，控制转子电流； 转子电流的频率为转差频率，跟随转速变化； 通过调节转子电流的相位，控制转子磁场领先 于由电网电压决定的定子磁场，从而在转速高 于和低于同步转速时都能保持发电状态； 通过调节转子电流的幅值，可控制发电机定子 输出的无功功率； 转子绕组参与有功和无功功率变换，为转差功 率，容量与转差率有关（约为全功率的S倍）。
• 叶尖速比
TSR m R V
TSR: Tip SpeedLeabharlann BaiduRate
风力发电机组及其分类
• • • • • • 风力发电机组的分类： 按风轮桨叶分类 按风轮转速分类 按传动机构分类 按发电机分类 按并网方式分类
风力发电机组的分类
按风轮桨叶分类： • 失速型： 高风速时，因桨叶形状或因叶尖处的扰 流器动作，限制风力机的输出转矩与功率； • 变桨型： 高风速时通过调整桨距角，限制输出转 矩与功率。
双馈发电机负载电流曲线
1200
定子电流
1000
转子电流
800
电流(A)
600 400
200 0 0 200 400 600 800 负载功率(kW) 1000 1200 1400 1600
双馈发电机的负载转子电压关系
发电机负载转子电压曲线
400 350 300
转子电压(V)
250 200 150 100 50 0 0 200 400 600 800 负载功率(kW) 1000 1200 1400 1600
风力发电机组的分类
按并网方式分类： • 并网型：
并入电网，可省却储能环节。
• 离网型：
一般需配蓄电池等直流储能环节，可带交、 直流负载。或与柴油发电机、光伏电池并联运行。
异步风力发电机的工作原理
定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速n1 旋转 在转子导条中产生感应电动势 e e 在转子绕组中产生感应电流 i i 在磁场中产生电磁力f f 产生电磁转矩T 若转子以转速n>n1, 向n1的方向旋转 机械能 →电能，是发电机 n 是否会等于 n1？ 要产生T，必须n≠n1
60 f n1 P
—— 同步转速
笼型异步风力发电机的工作原理
转差率
异步电机的特点之一是转子转速 n和定子旋转磁场的同步转 速n1不同。 把同步转速 n1 与转子转速 n 的差与同步转速 n1 的比值，称为 转差率，用s表示，即
n1 n s n1
则转子转速n可表示为：
n＝(1－s)n1
转子电流受控的异步风力发电机 系统(Rotor Current Control， RCC)
定义：
转子电流控制技术是指通过电力电子开关和 脉宽调制（PWM）来控制绕线型异步发电机转子 电流的一项技术。
系统的结构特征：
（1）采用变桨风力机； （2）采用绕线型异步发电机，但没有滑环； （3）采用旋转开关器件斩波控制转子电流，动态调 整发电机的机械特性。
用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机； （减小发电机体积重量，降低电气系统成本）
• 直驱型：
直接连接低速风力机和低速发电机。 （避免齿轮箱故障）
风力发电机组的分类
按发电机分类： • 异步型：
（1）笼型单速异步发电机； （2）笼型双速变极异步发电机； （3）绕线式双馈异步发电机；
• 同步型：
（1）电励磁同步发电机； （2）永磁同步发电机。
风力发电机组的分类
按风轮转速分类： • 定速型：
风轮保持一定转速运行，风能转换率较低，与 恒速发电机对应；
• 变速型：
（1）双速型：可在两个设定转速运行，改善风能 转换率，与双速发电机对应； （2）连续变速型：在一段转速范围内连续可调， 可捕捉最大风能功率，与变速发电机对应。
风力发电机组的分类
按传动机构分类： • 齿轮箱升速型：
笼型异步发电机 中转差率S 与运行状态的关系?
笼型异步风力发电机的工作原理
异步电机的运行状态
发电机状态
S n1 n N T
电动机状态
S n1 n T
n
n＞n1＞0 s＜ 0
n1 0
N 0＜n＜n1
0 1
0＜s＜1
s
用转差率s可以表示异步电机的运行状态!
笼型异步发电机的运行特点
（1）发电机励磁消耗无功功率，皆取自电网。应 选用较高功率因数发电机，并在机端并联电容； （2）绝大部分时间处于轻载状态，要求在中低负 载区效率较高，希望发电机的效率曲线平坦； （3）风速不稳，易受冲击机械应力，希望发电机 有较软的机械特性曲线，Ｓmax绝对值要大 ； （4）并网瞬间与电动机起动相似，存在很大的冲 击电流，应在接近同步转速时并网，并加装软起 动限流装置；
双馈发电机的功率转速关系
双馈发电机功率转速曲线
1600 1400 1200 1000
输出功率 定子有功 转子有功
功率(kW)
800 600 400 200 0 -200 700.00
800.00
900.00
1000.00 发电机转速(r/min)
1100.00
1200.00
1300.00
双馈发电机的负载电流关系
转子电流混合控制的特点
• 优点： （1）简化了主回路结构和控制策略，成本低； （2）兼具双馈控制和RCC控制的优点。 • 缺点： （1）转速范围缩小； （2）超同步速运行时，无功功率不可调，功率 因数略低。
变速笼型异步风力发电机系统
generator side breaker Converter (full rating) rectifier inverter grid side breaker
转子电流受控的异步风力发电机 系统(Rotor Current Control， RCC)
绕线型转子异步发电机
转子采用类似于定子的三相交流绕组，一般 接成Y接； 转子三相绕组可在转子内部联接，也可经滑 环—电刷装置将转子三相绕组端接线引出； 转子三相绕组的端接线在转子内部短接时， 发电机的机械特性类似于笼型异步发电机；外 接附加电阻时，机械特性变软。
风力发电机及其系统
• 代贤涛
风力发电机及其系统
主要内容 绪论 风力发电机组及其分类 典型风力发电机系统
绪论
风力发电机组的内部结构
机舱＋轮毂＋桨叶＋调桨系统＋偏航系统 ＋齿轮箱＋发电机＋底座＋塔筒＋控制柜
风力机风能转换效率特性
• 风轮的功率 1 P AV 3C p 2
• 风能转换率
C p f (TSR, )
A Y
n1
S
C
e, i f n
f
T
X
Z
N
B
—— 异步
转子转速大于定子旋转磁场转速， 发电！
笼型异步风力发电机的内部结构
机座
风扇
定子铁心 定子绕组
端盖
转子铁心
转子绕组 （端环）
笼型异步风力发电机的工作原理
旋转磁场
向对称的三相绕组中通入对称三相交流电流，可以产 生一个行波磁场。 如果三相绕组分布在一个圆周上，则行波磁场作旋转 运动，即旋转磁场。 旋转磁场在一个圆周内，呈现出的磁极（N、S极）数 目称为极数，用2P表示。 旋转磁场的转向取决于三相电流的相序，转速n1取决 于电流的频率 f 和极对数 P：
line coupling transformer brake Cage Induction generator
gearbox
converter controller pitch drive
Yaw drive
wind turbine controller
变速笼型异步风力发电机系统
系统特点
笼型异步风力发电机运行于变速变频发电状态； 运行于小转差率范围，发电机机械特性硬，运 行效率高； 发电机机端电压可调，轻载运行效率高； 发电机与电网被可控的变流器隔离，系统对电 网波动的适应性好； 变流器与发电机功率容量相等，系统成本高。