风力发电机系统基本原理

1、风力发电机及其系统2010年8月大唐公司系列培训系列之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定子铁心定子铁心转子绕组转子绕组（端环）（端环）机座机座转子铁心转子铁心定子绕组定子绕组风扇风扇端盖端

2、盖笼型异步风力发电机的工作原理向对称的三相绕组中通入对称三相交流电流，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。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，呈现出作旋转运动。旋转磁场在一个圆周内，呈现出的磁极（的磁极（N、S极）数目称为极数，用极）数目称为极数，用2P表示。表示。旋转磁场的转向取决于三相电流的相序，转速旋转磁场的转向取决于三相电流的相序，转速n1取决于电流的频率取决于电流的频率 f 和极对数和极对数 P：160 fnP 同步转速同步转速笼型异步风力发电机的工作原理AX

3、ZBCYSn1Nffne, iT f 产生电磁转矩产生电磁转矩T 定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速n1 旋转旋转 在转子导条中产生感应电动势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在转子绕组中产生感应电流 i i 在磁场中产生电磁力在磁场中产生电磁力f 若转子以转速若转子以转速nn1, 向向n1的方向旋转的方向旋转 n 是否会等于是否会等于 n1？要产生要产生T，必须，必须nn1 异步异步机械能机械能 电能电能，是，是发电机发电机转子转速大于定子旋转磁场转速，转子转速大于定子旋转磁场转速， 发电！发电！笼型异步风力发电机的工作原理笼型

4、异步发电机笼型异步发电机 中中转差率转差率S 与运行状态的关系与运行状态的关系? 把同步转速把同步转速n1与转子转速与转子转速n的差与同步转速的差与同步转速n1的比值，称为的比值，称为转差率转差率，用，用s表示，即表示，即11nnsn 异步电机的特点之一是转子转速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和定子旋转磁场的同步转速速n1不同。不同。n(1s)n1则转子转速则转子转速n可表示为：可表示为：笼型异步风力发电机的工作原理SNn1TnSNn1Tn用转差率用转差率s可以表示异步电机的运行状态可以表示异步电机的运行状态!nn10s00nn10s101n10ns电机正反转控制图笼型异

5、步发电机的等值电路2R2jXjX1R1RmjXm1U1E1I= =2E2I0I21Rss一相等值电路一相等值电路定子漏阻抗、转子漏阻抗（折合）、励磁阻抗定子漏阻抗、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。 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R1jX1RmjXm2R2jX21RssPmpCu2pCu1pFeP1PM1U1I0I2I12EE111 11cosPm U I定子输出功率：定

6、子输出功率：定、转子铜损耗：定、转子铜损耗：2Cu11 11pm I R2Cu21 22pm IR21 221msPm IRs机械输入功率：机械输入功率：电磁功率：电磁功率：221222222212coscosMRPm E Im E Im Is 2Fe1 0mpm I R铁损耗：铁损耗：笼型异步发电机的功率流程图R1jX1RmjXm2jX21Rss2I12EE1U1I0IP1pCu1pFepCu2PMPm2/Rspm+ paP22R笼型异步发电机的机械特性曲线TTmsnTmn101 0发电机电动机电磁制动Smax221122211122 ()() Rm pUsTRfRXXs电磁转矩：电磁转矩：

7、电动机状态：电动机状态： 0nn1 ，0s1发电机状态：发电机状态： 0n1n ，s0软特性软特性 vs. 硬特性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；（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，max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

8、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。转子电流受控的异步风力发电机系统(Rotor Current Co

9、ntrol， RCC)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)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

10、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： 旋转电力电子开关电路检修、更换困难。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双馈异步风力发电机（风冷）双馈异步风力发电机系统 风力发电机的关键部位：滑

11、环（电刷）系统双馈异步风力发电机系统 什么是双馈电机什么是双馈电机？ 所谓双馈电机所谓双馈电机, ,就是将电能分别馈入绕线转子异步电机就是将电能分别馈入绕线转子异步电机的定子绕组和转子绕组的定子绕组和转子绕组, ,一般将定子绕组接入电网一般将定子绕组接入电网, ,而而接入转子绕组电源的频率、电压幅值和相位则需要按接入转子绕组电源的频率、电压幅值和相位则需要按要求分别进行调节要求分别进行调节 。 双馈电机的特点： （1）和异步电机区别：异步电机是通过定子从电网吸收励磁电流,本身无励磁绕组,而双馈与同步机一样有独立的励磁绕组;异步电机无法改变功率因数;异步电机的转速随负荷变化而变化 。 （2）和同

12、步机区别 ：同步机励磁只可调节电流的幅值,因此只能对无功功率进行调节,而双馈电机可以调节幅值、频率和相位:改变励磁频率,可以调节电机转速;改变励磁电流相位,可以调节发电机电势和电网电压向量的相对位置,改变了电机功率角,可以调节有功和无功. 双馈异步风力发电机系统双馈异步发电机绕线型转子三相异步发电机的一种；定子绕组直接接入交流电网；转子绕组端接线由三只滑环引出，接至一台双向功率变换器（变频器）；转子绕组通入变频交流励磁；转子转速低于同步转速时也可运行于发电状态；定子绕组端口并网后始终发出电功率；但转子绕组端口电功率的流向取决于转差率；双馈异步风力发电机系统 控制原理简图双馈异步风力发电机系统

13、双馈系统双馈系统（变换器变换器系统）系统）: : (1)(1)交交变频器交交变频器( (双馈中有一定应用双馈中有一定应用) ) 优点优点: :自然换流自然换流, ,四象限可靠运行四象限可靠运行; ;无直流滤波无直流滤波, ,变频效变频效率高率高 。 缺点缺点: :变压器始终吸收无功、功率因数低变压器始终吸收无功、功率因数低; ;谐波大谐波大, ,输出输出频率低频率低, ,需要隔离变压器需要隔离变压器 (2)(2)交直交变频器交直交变频器( (大量应用大量应用) ) 优点优点: :双双PWMPWM实现能量的双向传递实现能量的双向传递; ;结构简单、电流谐波结构简单、电流谐波含量小、输入功率因数可

14、控含量小、输入功率因数可控 缺点缺点: :直流环节的滤波电容体积较大直流环节的滤波电容体积较大, ,寿命较短寿命较短, ,且双侧且双侧采用采用PWMPWM控制控制, ,开关损耗较大开关损耗较大. . (3)(3)矩阵变换器矩阵变换器( (研发阶段研发阶段) ) 优点优点: :四象限运行四象限运行; ;可输出幅值、频率、相位和相序均可输出幅值、频率、相位和相序均可控的电压可控的电压, ,谐波含量较小谐波含量较小. . 缺点缺点: :换流过程不允许两个开关同时导通或同时关断换流过程不允许两个开关同时导通或同时关断, ,实现比较困难实现比较困难风力发电系统简图双馈异步风力发电机系统基于IGBT（绝缘

15、栅双极晶闸管）技术的双馈异步风力发电机系统交直交双向功率变换器 大的机侧小的网侧双馈异步风力发电机系统 IGBT原理图双馈异步风力发电机系统双馈异步风力发电机系统双馈异步风力发电机系统交直交双向功率变换器两套PWM控制型三相开关桥“背靠背”，中间存在电容支撑的直流母线；在任一时刻，一套三相桥处于脉冲整流状态；而另一套处于逆变状态；发电机侧三相开关桥采用定子磁场定向矢量控制和空间电压矢量PWM控制方法；电网侧三相开关桥采用电网电压定向矢量控制和空间电压矢量PWM控制方法；可实现发电机输出的有功和无功功率解耦控制。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

16、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。双馈异步风力发电机的等值电路S0 时时S0 时，右边的转子支路转变为一个电流源。时，右边的转子支路转变为一个电流源。双馈异步风力发电机系统a. 亚同步发电运行 nr n1时 ，（即 0S1） f2取正号，如果忽略各种损耗，则发电机的能量关系为： P电磁=P机械+P转差 P上网=P电磁 （定子馈电，转子由变频器提供励磁）b.超同步发电运行 nr

17、 n1时，（即 S1） f2取负号，如果忽略各种损耗，则发电机的能量 关系为： P机械=P转差+P电磁 P上网=P转差+P电磁（定子馈电+转子馈电）将定转子电压、电流和磁链各量投影到由定子磁场确定的同步旋转坐标系中，进行调节控制的方法。定子磁场定向矢量控制双馈发电机的功率转速关系此图参考1.5MW风机双馈发电机的负载电流关系双馈发电机负载电流曲线02004006008001000120002004006008001000120014001600负载功率(kW)电流(A)定子电流转子电流双馈发电机的负载转子电压关系双馈发电机的效率曲线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；

18、（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。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转子电流混合控制的异步风力发电机系统1电网VT 1

19、VT 3VT 5VT 4VT 6VT 2VT 7VT 85 多功能变换器8R4变压装置2双馈电机3绕线转子6 整流器7星点短接及保护装置 混合控制双馈斩波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。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

20、系统 横向磁通永磁同步风力发电机系统变速笼型异步风力发电机系统gearboxbrakepitch driveinverterrectifierline coupling transformergrid sidebreakerYaw drivegenerator sidebreakerConverter(full rating)wind turbine controllerconverter controllerCage Induction generator 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

21、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。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电励磁直驱同步风力发电机系统发展同步发电机的必要性：同步发电机用作风力发电机时，即可直接向交流负载供电，也可经整流器变换为直流电，向直流负载供电。因此，同步风力发电机已成为中小容量风力

22、发电机组的首选机型。近年来，在大容量风力发电机组产品中，同步风力发电机也已暂露头角，有望成为未来的主力机型。 直接驱动同步风力发电机去除齿轮箱，直接驱动的理由： 由齿轮箱引起的风电机组故障率高； 齿轮箱的运行维护工作量大，易漏油污染； 系统的噪声大，效率低，寿命 短。直驱带来的问题： 发电机转速低、转矩大，体积重量明显增大； 全功率整流逆变，变流器成本高。直接驱动同步风力发电机同步风力发电机的定、转子结构同步风力发电机的定、转子结构定子铁心 定子绕组 发电机转子同步风力发电机的基本工作原理同步风力发电机的基本工作原理同步发电机原理：产生感应电动势 风力机拖着发电机的转子以恒定转 速n1相对于定

23、子沿逆时针方向旋转； 安放于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 ； 根据电磁感应定律可知，相对于磁 极运动（即切割磁力线）的导体中 将感应出电动势： 导体感应电动势的方向可用右手定则判断 。Vlvbe同步风力发电机的基本工作原理同步风力发电机的基本工作原理如果发电机的转速为n1，单位为r/min，即发电机转子每秒转了n1/60圈，则定子导体中感应电动势的频率为：当发电机的极对数p与转速n1一定时，发电机内感应电动势的频率f就是固定的数值。 160pnfHz同步风力发电机的基本工作原理同步风力发电机的基本工作原理同步发电机原理： 产生电磁力 如果在同步发电机定子导体A中有电流流

24、过，那么根据电磁作用力定律，导体A在主磁极的磁场作用下，将受到一个电磁力 ： 电磁力的方向可用左手定则判断 。 Nfb li同步风力发电机的电动势方程式同步风力发电机的电动势方程式0jjddqqEUIRI XI X式中，式中， Xd XsXad XqXsXaqXad 、Xaq 每相电枢绕组的直每相电枢绕组的直 轴、交轴电枢反应电抗。轴、交轴电枢反应电抗。Xd 、Xq 每相电枢绕组的直轴、每相电枢绕组的直轴、 交轴同步电抗。交轴同步电抗。UIjddI X0EjqqI XdIqIjqIXqE相量图相量图（忽略忽略R）同步发电机的空载特性同步发电机的空载特性 E0:定子一相感应电动势的有效值定子一相

25、感应电动势的有效值空载特性空载特性 E0f ( if )if:转子励磁电流转子励磁电流0if (Ff )E0 空载特性空载特性反映了转子励磁反映了转子励磁磁动势产生磁场、并在定子磁动势产生磁场、并在定子绕组中感应电动势的能力绕组中感应电动势的能力。同步发电机的外特性同步发电机的外特性 外特性反映负载性质不外特性反映负载性质不同时，端电压随负载大小同时，端电压随负载大小变化而变化的情况。变化而变化的情况。 外特性：同步发电机在外特性：同步发电机在nnN ，ifconst，cos const的条件下，端电压的条件下，端电压U和负载电流和负载电流I 的关系曲线。的关系曲线。 负载的负载的 cos 不

26、同，不同，U 随随I 变化的趋势有所不同。变化的趋势有所不同。0IUINUNcos0.8cos1cos()0.8同步发电机的电压调整率同步发电机的电压调整率 保 持 发 电 机 额 定 运 行 时保 持 发 电 机 额 定 运 行 时（UN、IN、cos N）的额定励）的额定励磁电流磁电流ifN和转速不变，去掉和转速不变，去掉全部负载后，空载电动势为全部负载后，空载电动势为E0 ，则，则电压调整率电压调整率为为0IUINE0UNif=ifN ,NcoscosU0NN%100%EUUU式中式中E0和和UN同为相值或线值。同为相值或线值。同步发电机的功角特性同步发电机的功角特性 电磁功率可用电枢感

27、应电动势、电枢电磁功率可用电枢感应电动势、电枢电流及它们之间的夹角表示。对隐极同电流及它们之间的夹角表示。对隐极同步发电机（不计饱和）步发电机（不计饱和）: 00cosMqPmE ImE I22Cucos(cos)MPPpmUImI RmI UIRUIjddI X0EjqqI XdIqIjqIXqE同步发电机的功角特性同步发电机的功角特性2011sinsin22MdqdE UUPmmXXX功角特性功角特性0PM90。180。励磁电磁功率励磁电磁功率磁阻电磁功率磁阻电磁功率 隐极同步发电机，最大电磁功率隐极同步发电机，最大电磁功率 出现在出现在 90 处。处。 凸极同步发电机，最大电磁功率凸极同

28、步发电机，最大电磁功率 出现在出现在 90 处。处。gearboxbrakepitch drivemain inverter(full rating)wind turbine controlrectifierline coupling transformergrid sidebreakerYaw drivegenerator sidebreakerconverterconverter controllerSG AVR exciter电励磁直驱同步风力发电机系统电励磁直驱同步风力发电机系统系统特点：通过调节转子励磁电流，可保持发电机的端电压恒定；定子绕组输出电压的频率随转速变化；可采用不控整流和PWM逆变，成本较低；转子可采用无刷旋转励磁；转子结构复杂，励磁消耗电功率；体积大、重量重，效率稍低。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