风力发电机及其系统知识讲解
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• 铜损：电机绕组上的损耗，包括原绕组 的铜损和副绕组的铜损，一般电机短路 情况下的损耗就是铜损。
笼型异步发电机的功率表述
pCu1
R1 I1 U1
P1
jX1
jX 2 R2
I0
Rm
pFe
I2 E1 E2
jXm
PM
pCu2
1
s
s
R2
Pm
定子输出功率：
P1 m1U1I1 cos1
An
T
X
f
若转子以转速n>n1, 向n1的方向旋转 机械能 →电能，是发电机
Z
B
N
n 是否会等于 n1？ 要产生T，必须n≠n1 —— 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
wenku.baidu.com
R1
I1 U1
R2 / s
jX1
jX 2
R2
I0
I 2
Rm
E1 E2
jXm
1 s
s
R2
P1 pCu1
PM pFe
pCu2
Pm
P2
pm+ pa
笼型异步发电机的机械特性曲线
n
发
电
机
Smax
0 n1
电 动 机
电磁 －Tm
10
制动
s
电磁转矩：
T
2πf1[(R1
m1 pU12
R2 s
R2 s
)2
(
X1
X 2 )2]
发电机状态： 0＜n1＜n ，s＜0
T Tm
电动机状态： 0＜n＜n1 ，0＜s＜1
软特性 vs. 硬特性
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；
定速笼型异步风力发电机系统
三相笼型异步风力发电机
笼型异步风力发电机的内部结构
风扇
机座 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， 可以产生一个旋转磁场。
➢ 如果三相绕组分布在一个圆周上，则旋转磁场 作旋转运动。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。
铁损耗：
p Fe m1I 02Rm
定、转子铜损耗：
pCu1 m1I 12R1
p Cu2 m1I22R2
机械输入功率：
Pm
m1I 22
1 s
s
R2
电磁功率： PM
m1E2I 2 cos 2
m2E 2I 2 cos 2
m1I 22
R2 s
笼型异步发电机的功率流程图
整发电机的机械特性。
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。
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
➢ 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：
n1
60 f P
—— 同步转速
笼型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
S
n1 Y
C
e, i f
i 在磁场中产生电磁力f f 产生电磁转矩T
风力发电机及其系统
2010年8月
风力发电机组的内部结构
机舱＋轮毂＋桨叶＋变桨系统＋偏航系统 ＋齿轮箱＋发电机＋底座＋塔筒＋控制柜
典型风力发电机系统
• 定速笼型异步风力发电机系统 • 转子电流受控的异步风力发电机系统 • 双馈异步风力发电机系统 • 转子电流混合控制的异步风力发电机系统 • 变速笼型异步风力发电机系统 • 电励磁直驱同步风力发电机系统 • 永磁直驱同步风力发电机系统 • 混合励磁直驱同步风力发电机系统 • 横向磁通永磁同步风力发电机系统
s n1 n n1
则转子转速n可表示为： n＝(1－s)n1
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
nT
电动机状态
S n1
nT
N
N
n n＞n1＞0
n1
0＜n＜n1
0
s＜0
0
0＜s＜1
1s
用转差率s可以表示异步电机的运行状态!
转子电流受控的异步风力发电机 系统(Rotor Current Control， RCC)
转子电流斩波控制电路：
原理： 控制附加电阻的接入时间，从而控制转子电流
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；
电机 正反 转控 制图
笼型异步发电机的等值电路
R1 jX1
R2 jX 2
U1
I1
I0 Rm
I2'
jXm E1= E'2
1
s
s
R2
➢一相等值电路 ➢定子漏阻抗、转子漏阻抗（折合）、励磁阻抗 ➢转子可变电阻反映发电机的负载状况
铁损和铜损
• 铁损：电机的铁损包括磁滞损失和 涡流 损失两部分，电机空载时所消耗的功率。
（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；
典型风力发电机系统
• 定速笼型异步风力发电机系统 • 转子电流受控的异步风力发电机系统 • 双馈异步风力发电机系统 • 转子电流混合控制的异步风力发电机系统 • 变速笼型异步风力发电机系统 • 电励磁直驱同步风力发电机系统 • 永磁直驱同步风力发电机系统 • 混合励磁直驱同步风力发电机系统 • 横向磁通永磁同步风力发电机系统
笼型异步发电机的功率表述
pCu1
R1 I1 U1
P1
jX1
jX 2 R2
I0
Rm
pFe
I2 E1 E2
jXm
PM
pCu2
1
s
s
R2
Pm
定子输出功率：
P1 m1U1I1 cos1
An
T
X
f
若转子以转速n>n1, 向n1的方向旋转 机械能 →电能，是发电机
Z
B
N
n 是否会等于 n1？ 要产生T，必须n≠n1 —— 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
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R1
I1 U1
R2 / s
jX1
jX 2
R2
I0
I 2
Rm
E1 E2
jXm
1 s
s
R2
P1 pCu1
PM pFe
pCu2
Pm
P2
pm+ pa
笼型异步发电机的机械特性曲线
n
发
电
机
Smax
0 n1
电 动 机
电磁 －Tm
10
制动
s
电磁转矩：
T
2πf1[(R1
m1 pU12
R2 s
R2 s
)2
(
X1
X 2 )2]
发电机状态： 0＜n1＜n ，s＜0
T Tm
电动机状态： 0＜n＜n1 ，0＜s＜1
软特性 vs. 硬特性
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；
定速笼型异步风力发电机系统
三相笼型异步风力发电机
笼型异步风力发电机的内部结构
风扇
机座 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， 可以产生一个旋转磁场。
➢ 如果三相绕组分布在一个圆周上，则旋转磁场 作旋转运动。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。
铁损耗：
p Fe m1I 02Rm
定、转子铜损耗：
pCu1 m1I 12R1
p Cu2 m1I22R2
机械输入功率：
Pm
m1I 22
1 s
s
R2
电磁功率： PM
m1E2I 2 cos 2
m2E 2I 2 cos 2
m1I 22
R2 s
笼型异步发电机的功率流程图
整发电机的机械特性。
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。
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
➢ 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：
n1
60 f P
—— 同步转速
笼型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
S
n1 Y
C
e, i f
i 在磁场中产生电磁力f f 产生电磁转矩T
风力发电机及其系统
2010年8月
风力发电机组的内部结构
机舱＋轮毂＋桨叶＋变桨系统＋偏航系统 ＋齿轮箱＋发电机＋底座＋塔筒＋控制柜
典型风力发电机系统
• 定速笼型异步风力发电机系统 • 转子电流受控的异步风力发电机系统 • 双馈异步风力发电机系统 • 转子电流混合控制的异步风力发电机系统 • 变速笼型异步风力发电机系统 • 电励磁直驱同步风力发电机系统 • 永磁直驱同步风力发电机系统 • 混合励磁直驱同步风力发电机系统 • 横向磁通永磁同步风力发电机系统
s n1 n n1
则转子转速n可表示为： n＝(1－s)n1
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
nT
电动机状态
S n1
nT
N
N
n n＞n1＞0
n1
0＜n＜n1
0
s＜0
0
0＜s＜1
1s
用转差率s可以表示异步电机的运行状态!
转子电流受控的异步风力发电机 系统(Rotor Current Control， RCC)
转子电流斩波控制电路：
原理： 控制附加电阻的接入时间，从而控制转子电流
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；
电机 正反 转控 制图
笼型异步发电机的等值电路
R1 jX1
R2 jX 2
U1
I1
I0 Rm
I2'
jXm E1= E'2
1
s
s
R2
➢一相等值电路 ➢定子漏阻抗、转子漏阻抗（折合）、励磁阻抗 ➢转子可变电阻反映发电机的负载状况
铁损和铜损
• 铁损：电机的铁损包括磁滞损失和 涡流 损失两部分，电机空载时所消耗的功率。
（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；
典型风力发电机系统
• 定速笼型异步风力发电机系统 • 转子电流受控的异步风力发电机系统 • 双馈异步风力发电机系统 • 转子电流混合控制的异步风力发电机系统 • 变速笼型异步风力发电机系统 • 电励磁直驱同步风力发电机系统 • 永磁直驱同步风力发电机系统 • 混合励磁直驱同步风力发电机系统 • 横向磁通永磁同步风力发电机系统