风力发电机及其系统 ppt课件
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TSRmRV
TSR: Tip Speed Rate
风力发电机组的功率控制
定桨距桨叶
桨距角固定，大风 速时，翼型的尾部 气流紊乱，升力不 增反降，称为失速 现象。
变桨距桨叶
桨距角可调，大风
速时，增大桨距角，
可保持风力机吸收
功率恒定，也可完
全释放功率。
变桨距有利于大风速下稳定风力机吸收的功率。
风力发电机组的功率控制
0
if (Ff )
空载特性 E0＝f ( if )
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的外特性
U
外特性：同步发电机在n＝nN ，if＝
const，cos＝const的条件下，端电
cos() 0.8 压U和负载电流I 的关系曲线。
UN
cos 1 外特性反映负载性质不同时，端电
cos 0.8
风力发电机系统
恒速恒频同步风力发电机系统
三要素： （1）同步发电机 （2）调速器 （3）励磁调节器
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的定、转子结构
定子铁心
定子绕组
转子磁极
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的基本工作原理 — 产生感应电动势
（1）风力机拖着发电机的转子以恒定 转速n1沿逆时针方向旋转
压随负载大小变化而变化的情况。
0
IN
I
外特性 U＝f ( I )
负载的 cos不同，U 随I 变化
的趋势有所不同。
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的电压调整率
U if=ifN , cos cosN 保 持 发 电 机 额 定 运 行 时 （ UN 、 IN 、
E0
U
cosN）的额定励磁电流ifN和转速不变，
风力发电机组
风电机组的分类：
（3）按传动机构分类 升速型：用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机。 直驱型：将低速风力机和低速发电机直接连接。
（4）按发电机分类 异步型：笼型单速异步发电机、笼型双速变极异步 发电机；绕线式异步发电机。 同步型：电励磁同步发电机；永磁同步发电机。
（5）按并网方式分类 并网型：直接或间接并入电网，可省却储能环节。 离网型：需配储能环节，也可与柴发、光伏并联运行。
风力发电机及其系统
风力发电机及其系统
目的
介绍现代风力发电机组中的发电机及其系统的基本结构、 运行原理和控制方法，说明发电机对风力机和电力系统的 影响。
内容
（1）恒速恒频风力发电机系统 （2）变速恒频风力发电机系统
精品资料
风力发电机组的结构
风力发电机组的结构
风力机（轮毂、桨叶），传动机构（齿轮箱），发电机，控制器 （调桨、偏航、启停、并网），结构件（机舱、塔筒、基础）
风力机系统：
桨叶 轮毂 主轴 调桨机构（液压或电动伺服机构Байду номын сангаас 偏航机构（电动伺服机构） 刹车、制动机构 风速传感器
发电机系统：
发电机 励磁调节器（电力电子变换器） 并网开关 软并网装置 无功补偿器 主变压器 转速传感器
风力发电机组
风电机组对发电机系统的基本要求：
（1）将旋转风力机的机械能高效率地转换为电能 转速、转矩、效率、电压、电流、体积、重量
制动转矩，与风力机的拖动转矩 相平衡。
电磁制动力的方向可用左手定则判断！
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的电动势方程式 E0
E 0 U IR jId X d jIq X q
jId X d
式中， Xd＝ Xs＋Xad
Xq＝Xs＋Xaq Xad 、Xaq — 每相电枢绕组的直轴
和交轴电枢反应电抗。
Xs —每相电枢绕组的漏电抗。
Xd 、Xq —每相电枢绕组的直轴 和交轴同步电抗。
jIq X q U
Iq
I
相量图（忽略R） Id
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的空载电压特性
E0
E0:定子一相感应电动势的有效值
额定点
if:转子励磁电流
空载特性反映了转子励磁磁动势产 生磁场、并在定子绕组中感应电动势 的能力。
风力发电机系统
风力发电机系统的分类：
恒速恒频风力发电机系统
（1）同步发电机系统 （2）笼型异步发电机系统 （3）绕线转子RCC异步发电机系统
变速恒频风力发电机系统
（1）变速恒频鼠笼异步发电机系统（高速） （2）变速恒频双馈异步发电机系统（高速） （3）变速恒频电励磁同步发电机系统（中、低速） （4）变速恒频永磁同步发电机系统（中、低速） （5）变速恒频横向磁通发电机系统（中、低速）
双馈异步风力发电机组
风力发电机组的结构
直驱永磁同步风力发电机组
风力发电机组的基础知识
桨叶的升力与阻力
桨叶的距角
桨叶围绕翼展长度方向的轴 线旋转的角度。显然，桨距角的 变动对桨叶的升力影响很大。
风力机风能转换效率特性
• 风轮的功率
P
1 2
AV3Cp
• 风能转换率
Cpf(TS,R )
• 叶尖速比
（1）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，调整桨距角，限制输出转矩与功率。
（2）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； 变速型： 双速：可在两个设定转速下运行，改善风能转换率； 连续变速：连续可调，可捕捉最大风能功率。
定速发电机
发电机转子转速基 本恒定，例如笼型 转子异步发电机。
变速发电机
发电机转子转速 可在一定范围内变 化。需要变频器保 证馈入电网的电能 频率恒定。
变速发电机有利于小风速下风力机吸收更多的功率。
风力机的输出功率
定桨定速 vs.变桨变速风力机输出功率的比较：
风力发电机组
两大核心系统：风力机系统＋ 发电机系统 一个灵魂： 系统控制器
（2）定子铁心槽内的导体与转子上的 主磁极之间发生相对运动
（3）导体切割磁力线感应出电动势
导体感应电动势的方向可用右手定则判断！
交变频率： f pn1 [Hz] 60
p：磁极的极对数
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的基本工作原理 — 产生电磁制动力
（1）载流导体在磁场中受到电磁力 （2）绕组电流受力形成电磁转矩 （3）电磁转矩阻止转子旋转，是一种
（2）输出的电能质量应满足电力系统的并网要求 频率、有功、无功、波形畸变率、三相不平衡度、 并网冲击、电压跌落跨越
（3）与风力机系统匹配，最大限度发挥风力机的风能转换率 有无齿轮箱（直驱）、变速（MPPT）、变桨（恒功）
（4）安全、可靠运行 过压、过流、过速、过热等状态监测与保护
风力发电机组
风电机组的分类：
TSR: Tip Speed Rate
风力发电机组的功率控制
定桨距桨叶
桨距角固定，大风 速时，翼型的尾部 气流紊乱，升力不 增反降，称为失速 现象。
变桨距桨叶
桨距角可调，大风
速时，增大桨距角，
可保持风力机吸收
功率恒定，也可完
全释放功率。
变桨距有利于大风速下稳定风力机吸收的功率。
风力发电机组的功率控制
0
if (Ff )
空载特性 E0＝f ( if )
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的外特性
U
外特性：同步发电机在n＝nN ，if＝
const，cos＝const的条件下，端电
cos() 0.8 压U和负载电流I 的关系曲线。
UN
cos 1 外特性反映负载性质不同时，端电
cos 0.8
风力发电机系统
恒速恒频同步风力发电机系统
三要素： （1）同步发电机 （2）调速器 （3）励磁调节器
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的定、转子结构
定子铁心
定子绕组
转子磁极
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的基本工作原理 — 产生感应电动势
（1）风力机拖着发电机的转子以恒定 转速n1沿逆时针方向旋转
压随负载大小变化而变化的情况。
0
IN
I
外特性 U＝f ( I )
负载的 cos不同，U 随I 变化
的趋势有所不同。
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的电压调整率
U if=ifN , cos cosN 保 持 发 电 机 额 定 运 行 时 （ UN 、 IN 、
E0
U
cosN）的额定励磁电流ifN和转速不变，
风力发电机组
风电机组的分类：
（3）按传动机构分类 升速型：用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机。 直驱型：将低速风力机和低速发电机直接连接。
（4）按发电机分类 异步型：笼型单速异步发电机、笼型双速变极异步 发电机；绕线式异步发电机。 同步型：电励磁同步发电机；永磁同步发电机。
（5）按并网方式分类 并网型：直接或间接并入电网，可省却储能环节。 离网型：需配储能环节，也可与柴发、光伏并联运行。
风力发电机及其系统
风力发电机及其系统
目的
介绍现代风力发电机组中的发电机及其系统的基本结构、 运行原理和控制方法，说明发电机对风力机和电力系统的 影响。
内容
（1）恒速恒频风力发电机系统 （2）变速恒频风力发电机系统
精品资料
风力发电机组的结构
风力发电机组的结构
风力机（轮毂、桨叶），传动机构（齿轮箱），发电机，控制器 （调桨、偏航、启停、并网），结构件（机舱、塔筒、基础）
风力机系统：
桨叶 轮毂 主轴 调桨机构（液压或电动伺服机构Байду номын сангаас 偏航机构（电动伺服机构） 刹车、制动机构 风速传感器
发电机系统：
发电机 励磁调节器（电力电子变换器） 并网开关 软并网装置 无功补偿器 主变压器 转速传感器
风力发电机组
风电机组对发电机系统的基本要求：
（1）将旋转风力机的机械能高效率地转换为电能 转速、转矩、效率、电压、电流、体积、重量
制动转矩，与风力机的拖动转矩 相平衡。
电磁制动力的方向可用左手定则判断！
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的电动势方程式 E0
E 0 U IR jId X d jIq X q
jId X d
式中， Xd＝ Xs＋Xad
Xq＝Xs＋Xaq Xad 、Xaq — 每相电枢绕组的直轴
和交轴电枢反应电抗。
Xs —每相电枢绕组的漏电抗。
Xd 、Xq —每相电枢绕组的直轴 和交轴同步电抗。
jIq X q U
Iq
I
相量图（忽略R） Id
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的空载电压特性
E0
E0:定子一相感应电动势的有效值
额定点
if:转子励磁电流
空载特性反映了转子励磁磁动势产 生磁场、并在定子绕组中感应电动势 的能力。
风力发电机系统
风力发电机系统的分类：
恒速恒频风力发电机系统
（1）同步发电机系统 （2）笼型异步发电机系统 （3）绕线转子RCC异步发电机系统
变速恒频风力发电机系统
（1）变速恒频鼠笼异步发电机系统（高速） （2）变速恒频双馈异步发电机系统（高速） （3）变速恒频电励磁同步发电机系统（中、低速） （4）变速恒频永磁同步发电机系统（中、低速） （5）变速恒频横向磁通发电机系统（中、低速）
双馈异步风力发电机组
风力发电机组的结构
直驱永磁同步风力发电机组
风力发电机组的基础知识
桨叶的升力与阻力
桨叶的距角
桨叶围绕翼展长度方向的轴 线旋转的角度。显然，桨距角的 变动对桨叶的升力影响很大。
风力机风能转换效率特性
• 风轮的功率
P
1 2
AV3Cp
• 风能转换率
Cpf(TS,R )
• 叶尖速比
（1）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，调整桨距角，限制输出转矩与功率。
（2）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； 变速型： 双速：可在两个设定转速下运行，改善风能转换率； 连续变速：连续可调，可捕捉最大风能功率。
定速发电机
发电机转子转速基 本恒定，例如笼型 转子异步发电机。
变速发电机
发电机转子转速 可在一定范围内变 化。需要变频器保 证馈入电网的电能 频率恒定。
变速发电机有利于小风速下风力机吸收更多的功率。
风力机的输出功率
定桨定速 vs.变桨变速风力机输出功率的比较：
风力发电机组
两大核心系统：风力机系统＋ 发电机系统 一个灵魂： 系统控制器
（2）定子铁心槽内的导体与转子上的 主磁极之间发生相对运动
（3）导体切割磁力线感应出电动势
导体感应电动势的方向可用右手定则判断！
交变频率： f pn1 [Hz] 60
p：磁极的极对数
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的基本工作原理 — 产生电磁制动力
（1）载流导体在磁场中受到电磁力 （2）绕组电流受力形成电磁转矩 （3）电磁转矩阻止转子旋转，是一种
（2）输出的电能质量应满足电力系统的并网要求 频率、有功、无功、波形畸变率、三相不平衡度、 并网冲击、电压跌落跨越
（3）与风力机系统匹配，最大限度发挥风力机的风能转换率 有无齿轮箱（直驱）、变速（MPPT）、变桨（恒功）
（4）安全、可靠运行 过压、过流、过速、过热等状态监测与保护
风力发电机组
风电机组的分类：