风力发电机及其系统

（3）过载问题：高风速时，对变桨调节的动态响应要求高，无法 利用转子惯量缓冲。留给过速保护的响应时间太 短。
恒速恒频同步风力发电机系统极少被采用！
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风力发电机系统
•恒速恒频笼型异步风力发电机系统
三要素： （1）异步发电机 （2）调速器 （3）无功补偿器
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恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机的定、转子结构
0
空载特性 E0＝f ( if )
if (Ff )
23
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
40
恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型双速异步风力发电机系统的特点
（1）变极双速笼型异步风力发电机方案
在同一台发电机的定子铁心中，埋设两套不同极对数的电枢 绕组（通常为4/6极）。根据需要，可在两套绕组切换，以获得 合适的运行转速。高速绕组角接，低速绕组星接，以降低轻载 运行时的铁心磁密和损耗。
pCu1
R1 I1 U1
P1
jX1
jX 2
I0
Rm
pFe
I2 E1 E2
jXm
PM
定子输出功率： P1 m1U1I1 cos1
R2
pCu2 铁损耗：
p Fe
m1I
2 0
R
m
定、转子铜损耗：
1
s
s
R2
pCu1 m1I 12R1 p Cu2 m1I 22R2
Pm
Pm
m1I 22
1 s
s
R2
电磁功率：
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！
21
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
E0 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。
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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
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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
19
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
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
风力机系统：
桨叶 轮毂 主轴 调桨机构（液压或电动伺服机构） 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
13
35
PM
m1E2I 2 cos 2
m2E 2I 2 cos 2
m1I 22
R2 s
恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机的等值电路
R1 jX1
R2 jX 2
U1
I1
I0 Rm
jXm
I2' 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
（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
20
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
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恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机的工作原理 — 旋转磁场
• (1) 向对称三相绕组中通入对称三相交流电流，可形成行波磁场； • (2) 如果绕组分布在圆周上，则行波磁场为旋转磁场； • (3) 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。
• (4) 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：
10
风力发电机组的功率控制
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。
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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：
12
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
2
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）
转差率: 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:
s n1 n n1
或： n＝(1－s)n1
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恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机的运行状态
发电机状态
电动机状态
S n1
nT
S n1
nT
N
n
n＞n1＞0
n1
N
0＜n＜n1
s＜0
0
0＜s＜1
用转差率s可以表示异步电机的运行状态!
功角 ＝90处。
凸极同步发电机，最大电磁功率出现在
功角 ＜90处。
0
。
90
180。
26
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的并网条件
发电机输出的三相交流电压与电网电压应满足四同条件，即：
“同相序、同幅值、同频率、同相位”
同相序：由正确的旋转方向保证 同幅值：由励磁调节器自动保证 同频率：由调速器保证，桨距调节可用作并网调速器 同相位：由调速器微调实现
n1
60 f P
—— 同步转速
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恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机的工作原理 — 电磁感应
（1）定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速n1 旋转 （2）旋转磁场在转子导条中产生感应电动势 e和电流i
（3）i 在磁场中受力f，产生电磁转矩T
（4）若转子以转速n>n1, 向n1的方向旋转， T为制动转矩
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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）
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恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机的功率流程图
R1
I1 U1
jX1
jX 2
R2
I0
I 2
Rm
E1 E2
jXm
R2 / s
1
s
s
R2
P1
PM
Pm
P2
pCu1
pFe
pCu2
pm+ pa
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恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机的机械特性曲线
n
电磁转矩：
发
电
机
Smax
0 n1
（3）过载能力：发电机的机械特性曲线较硬，允许转子转速变动 范围小，导致风力机的风能转换率偏低 。风速不 稳时，风电机组容易受到冲击机械应力 ；
（软特性发电机的转子损耗较大，发热严重） （4）高效轻载：绝大部分时间处于轻载状态，要求发电机的效率
曲线平坦，在中低负载区效率较高。可考虑在轻 载区，将定子绕组由角接改为星接，降低铁耗。
电 动 机
T
2πf1[(R1
m1 pU12
R2 s
R2 s
)2
(X1
X 2 )2]
发电机状态：
0＜n1＜n ，s＜0
电动机状态：
电磁 －Tm
10
制动 38
s
T Tm
0＜n＜n1 ，0＜s＜1 软特性 vs. 硬特性
恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机系统的特点
（1）无功补偿：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；
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恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机系统的主要问题
（1）并网问题：并网控制复杂，对调速器要求过高，并网过程长，成 功率较低，冲击电流不易控制，不适合于频繁脱、 并网的风力发电机。
（2）运行问题：转子转速受电网频率的钳制，发电机呈现刚性机 械特性。转子受到的冲击应力大，电磁功率波动 快，风力机的风能转换率偏低。
（4）安全、可靠运行 过压、过流、过速、过热等状态监测与保护
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风力发电机组
•风电机组的分类：
（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。
压随负载大小变化而变化的情况。
负载的 cos不同，U 随I 变化
的趋势有所不同。
0
IN
I
外特性 U＝f ( I )
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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，
33
0
1s
恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机的等值电路
R1 jX1
R2 jX 2
U1
I1
I0 Rm
jXm
I2' 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
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恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机的电磁功率表述
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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。
去掉全部负载后，空载电动势为E0 ，
UN
则电压调整率为
U % E0 U N 100% UN
式中E0和UN同为相值或线值。
0
IN I
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恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的功角特性
PM
m E0U Xd
sin
U2 m 2
1 Xq
1 Xd
sin 2
励磁电磁功率
磁阻电磁功率 PM
隐极同步发电机，最大电磁功率出现在
Xs —每相电枢绕组的漏电抗。
jIq X q U
Iq
I
Xd 、Xq —每相电枢绕组的直轴 和交轴同步电抗。
I 相量图（忽略R）
d
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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
（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）
（由于负荷经常变动，固定电容难以做到完全补偿。可 能出现过补或欠补现象，造成电网电压浮动。可考 虑在变电站加装可控无功补偿装置SVC）
（2）软并网： 并网瞬间与异步电动机起动相似，存在很大的冲 击电流，应在接近同步转速时并网，并加装可控 硅软起动限流装置；
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恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机系统的特点
• 叶尖速比
TSR mR V
TSR: Tip Speed Rate
9源自文库
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。
4
双馈异步风力发电机组
5
风力发电机组的结构
直驱永磁同步风力发电机组
7
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。
8
风力机风能转换效率特性
• 风轮的功率
P
1 2
AV 3Cp
• 风能转换率
Cp f (TSR, )