第四章风电机组的输出特性与运行控制详解
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uAO uAO.1 mA 2 Udc u BO u BO.1 m B 2 Udc u CO uCO.1 mC 2
风电场电气系统
风电场主要一次设备
4.1.3.2 背靠背四象限电压源型变流器联网运行特性 背靠背电压源型变流器是由两个结构相同的电压源型变流器 以背靠背方式、通过中间的直流环节耦合而成。如下图：
教学目标： 理解风力机的运行特性与发电机的基本运行原理，以及风电 机组并网换流器的电路结构和工作原理，掌握鼠笼型感应风 电机组、双馈感应式风电机组和直驱式永磁同步风电机组的 输出特性和控制原理，了解三种风电机组的基本运行操作。
风电场电气工程
风电场电气一次系统
第4章 风电机组的输出特性与运行控制
知识点 ▲风力机的运行特性； ▲三种发电机的运行原理； ☆鼠笼型感应风电机组的输出特性与控制原理； ☆双馈感应式风电机组的输出特性与控制原理； ☆直驱式永磁同步风电机组的运行特性与控制原理； ●三种风电机组的运行操作。
风电场电气系统
风电场电气一次系统
4.1.3 并网换流器的结构和原理
目前，应用于风力发电中的电力电子换流器主要是基于全控 型电力电子器件的交-直-交（AC-DC-AC）电压源型变流器（ Voltage Source Converter,VSC）。 4.1.3.1 三相电压源型变流器的基本工作原理 三相电压源型变流器（VSC）的原理结构如下图：
风电场电气工程
风电场电气一次系统
4.1 风电机组运行原理
4.1.1 风力机的运行特性
4.1.2 发电机的运行原理 4.1.3 并网换流器的结构和原理
风电场电气工程
风电场电气一次系统
4.1.1 风力机的运行特性
风力机的机械功率可用下式表达：
Pm CpPw=0.5Cp A1vw 3
Cp为风能利用系数，是可以控制的 。根据Betz理论，风力 机Cp的理论最大值是0.59，实际值通常在0.47左右。 叶尖速比，常用表示为： ΩR
pn1 f1 60
风电场电气工程
风电场主要一次设备
2.异步发电机 异步发电机的工作原理下图所示： 异步机的定子绕组与外电路相连，当绕 组中流过对称的三相电流时，就会形成 同步旋转磁场。仍假设定子旋转磁场的 转速为n1，当异步机的转子在风力机 的驱动下，以转速n旋转时，转子绕组 的导体与定子旋转磁场之间有n-n1的 转速差。该转速差造成转子绕组与定子 磁场之间相对运动，因而会在转子绕组 中感应出电动势，同时在闭合的转子绕 组回路中产生电流。
pn1 60
风电场电气系统
风电场主要一次设备
3.交流励磁式发电机 交流励磁式发电机，是在转子绕组中通入低频交流励磁电流。 励磁电流是外部提供的，因而可以进行准确控制，从而影响 到发电机中的相对运动速度。 当转子以转速n旋转时，如果能够控制转子绕组励磁电流的、 频率f2，使得转子磁场相对于转子本身的转速n2（可以与转 子旋转方向相同或相反）始终满足 n n2 n1 则可以在发电机转速n发生变化的情况下，仍能保持定子输 出电压频率恒定。
vw 风能利用系数Cp与叶尖速比的关系大致如下图所示：
Cp
为了使Cp维持最大值，当风速变化时，风力机转速也需要随 之变化，使之运行于最佳叶尖速。
风电场电气工程
λ
风电场电气一次系统
4.1.1 风力机的运行特性 不同风速下（风速v 1< v 2< v 3< v 4< v 5< v6）风力机 的输出功率特性，如下图：
风电场电气一次系统
1.同步发电机 定子旋转磁场的转速n1由定子绕组中流过的交流电流的频率 f1决定，还与定子铁心的磁极对数p有关，其关系为
n1 60 f1 p (r / min)
同步发电机的定子电流主要是感应出来的，事实上，定子电 流的频率反过来是由转子的转速（在同步机中，转子转速n 等于同步速n1）决定的，即
风电场电气系统
风电场主要一次设备 2.异步发电机
异步电机转子中感应电流的频率应为 f 2
p ( n n1 ) 60
转子磁场相对于定子绕组的转速为
转子磁场相对于定子绕组的转速为 定子绕组中电流的频率f1 为 转差率的定义为
s n1 n n1
f1
n n2 n (n n1 ) n1
i01 i02 iC Ea1 Eb1 Ec1
L1
R1 R1 R1
Leabharlann Baidu
ia1 ib1 ic1
L1 L1
ua1 ub1
+
Udc uc1 C
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华北电力大学 朱永强
风电场电气一次系统
第4章 风电机组的输出特性与运行控制
章节设置 4.1 风电机组运行原理 4.2 笼型感应风电机组的运行特性与控制 4.3 双馈感应风电机组的运行特性与控制 4.4 直驱式永磁同步风电机组的运行特性
风电场电气工程
风电场电气一次系统
第4章 风电机组的输出特性与运行控制
+
U dc 2
VT1 A O
VT3 VD1 B
VT5 VD3 VD5 ia ib C ic VD2 R R R L L L Ea Eb Ec N
U dc 2
VD4 VT4 VT6
VD6 VT2
-
风电场电气工程
风电场主要一次设备
4.1.3.1 三相电压源型变流器的基本工作原理 以A相输出控制为例，分析电压源型变流器的工作原理：当 可关断器件VT1开通、VT2处于关断状态时，正向直流端和交 流侧A相连，相对于直流侧电源假想中点的交流输出电压跳 变为Udc/2。当可关断器件VT1关断、VT2开通时，负向直流 端和交流侧A相连，相对于直流侧电源假想中点的交流输出 电压跳变为-Udc/2。 具体波形见下图： 表达式为： Udc
P
Popt
Ω
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4.1.2 发电机的运行原理
1.同步发电机 同步发电机的工作原理示意图：
同步发电机的转子绕组 中要通入直流励磁电流， 形成相对于转子静止的 恒定磁场。当转子在风 力机的驱动下以转速n旋 转时，转子磁场将随着 转子一起以转速n旋转。
从而在定子绕组中产生感应电动势。若定子绕组接有外部闭 合回路，就会有电流从定子绕组流入外电路，或者说有功率 送到外电路。 风电场电气工程
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4.1.3.2 背靠背四象限电压源型变流器联网运行特性 背靠背电压源型变流器是由两个结构相同的电压源型变流器 以背靠背方式、通过中间的直流环节耦合而成。如下图：
教学目标： 理解风力机的运行特性与发电机的基本运行原理，以及风电 机组并网换流器的电路结构和工作原理，掌握鼠笼型感应风 电机组、双馈感应式风电机组和直驱式永磁同步风电机组的 输出特性和控制原理，了解三种风电机组的基本运行操作。
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第4章 风电机组的输出特性与运行控制
知识点 ▲风力机的运行特性； ▲三种发电机的运行原理； ☆鼠笼型感应风电机组的输出特性与控制原理； ☆双馈感应式风电机组的输出特性与控制原理； ☆直驱式永磁同步风电机组的运行特性与控制原理； ●三种风电机组的运行操作。
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4.1.3 并网换流器的结构和原理
目前，应用于风力发电中的电力电子换流器主要是基于全控 型电力电子器件的交-直-交（AC-DC-AC）电压源型变流器（ Voltage Source Converter,VSC）。 4.1.3.1 三相电压源型变流器的基本工作原理 三相电压源型变流器（VSC）的原理结构如下图：
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4.1 风电机组运行原理
4.1.1 风力机的运行特性
4.1.2 发电机的运行原理 4.1.3 并网换流器的结构和原理
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4.1.1 风力机的运行特性
风力机的机械功率可用下式表达：
Pm CpPw=0.5Cp A1vw 3
Cp为风能利用系数，是可以控制的 。根据Betz理论，风力 机Cp的理论最大值是0.59，实际值通常在0.47左右。 叶尖速比，常用表示为： ΩR
pn1 f1 60
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2.异步发电机 异步发电机的工作原理下图所示： 异步机的定子绕组与外电路相连，当绕 组中流过对称的三相电流时，就会形成 同步旋转磁场。仍假设定子旋转磁场的 转速为n1，当异步机的转子在风力机 的驱动下，以转速n旋转时，转子绕组 的导体与定子旋转磁场之间有n-n1的 转速差。该转速差造成转子绕组与定子 磁场之间相对运动，因而会在转子绕组 中感应出电动势，同时在闭合的转子绕 组回路中产生电流。
pn1 60
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3.交流励磁式发电机 交流励磁式发电机，是在转子绕组中通入低频交流励磁电流。 励磁电流是外部提供的，因而可以进行准确控制，从而影响 到发电机中的相对运动速度。 当转子以转速n旋转时，如果能够控制转子绕组励磁电流的、 频率f2，使得转子磁场相对于转子本身的转速n2（可以与转 子旋转方向相同或相反）始终满足 n n2 n1 则可以在发电机转速n发生变化的情况下，仍能保持定子输 出电压频率恒定。
vw 风能利用系数Cp与叶尖速比的关系大致如下图所示：
Cp
为了使Cp维持最大值，当风速变化时，风力机转速也需要随 之变化，使之运行于最佳叶尖速。
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λ
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4.1.1 风力机的运行特性 不同风速下（风速v 1< v 2< v 3< v 4< v 5< v6）风力机 的输出功率特性，如下图：
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1.同步发电机 定子旋转磁场的转速n1由定子绕组中流过的交流电流的频率 f1决定，还与定子铁心的磁极对数p有关，其关系为
n1 60 f1 p (r / min)
同步发电机的定子电流主要是感应出来的，事实上，定子电 流的频率反过来是由转子的转速（在同步机中，转子转速n 等于同步速n1）决定的，即
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风电场主要一次设备 2.异步发电机
异步电机转子中感应电流的频率应为 f 2
p ( n n1 ) 60
转子磁场相对于定子绕组的转速为
转子磁场相对于定子绕组的转速为 定子绕组中电流的频率f1 为 转差率的定义为
s n1 n n1
f1
n n2 n (n n1 ) n1
i01 i02 iC Ea1 Eb1 Ec1
L1
R1 R1 R1
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L1 L1
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章节设置 4.1 风电机组运行原理 4.2 笼型感应风电机组的运行特性与控制 4.3 双馈感应风电机组的运行特性与控制 4.4 直驱式永磁同步风电机组的运行特性
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U dc 2
VT1 A O
VT3 VD1 B
VT5 VD3 VD5 ia ib C ic VD2 R R R L L L Ea Eb Ec N
U dc 2
VD4 VT4 VT6
VD6 VT2
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4.1.3.1 三相电压源型变流器的基本工作原理 以A相输出控制为例，分析电压源型变流器的工作原理：当 可关断器件VT1开通、VT2处于关断状态时，正向直流端和交 流侧A相连，相对于直流侧电源假想中点的交流输出电压跳 变为Udc/2。当可关断器件VT1关断、VT2开通时，负向直流 端和交流侧A相连，相对于直流侧电源假想中点的交流输出 电压跳变为-Udc/2。 具体波形见下图： 表达式为： Udc
P
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Ω
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4.1.2 发电机的运行原理
1.同步发电机 同步发电机的工作原理示意图：
同步发电机的转子绕组 中要通入直流励磁电流， 形成相对于转子静止的 恒定磁场。当转子在风 力机的驱动下以转速n旋 转时，转子磁场将随着 转子一起以转速n旋转。
从而在定子绕组中产生感应电动势。若定子绕组接有外部闭 合回路，就会有电流从定子绕组流入外电路，或者说有功率 送到外电路。 风电场电气工程