KW风力发电供配电系统的研究与设计.doc

I850kW风力发电供配电系统的研究与设计摘 要风力发电是一种可再生的清洁能源，也是新能源发电技术中最成熟和最具规模开发条件的发电方式之一，在远期有可能成为世界重要的替代能源。大规模的风电接入电网后可能会出现电网电压波动，谐波污染等一系列问题。因此，随着风电比例的提高，分析风电的特点和其对电网电能质量的影响，研究如何减少其对电网的影响，提高风电接入电网后的电能质量，成为风电的重要研究方向。本文从安全、可靠的角度出发，设计了一套变速恒频控制的风力发电系统，本系统采用同步发电机，通过交直交变频将发出的频率可变的电能转换成频率恒定的工频电能送入电网。 关键词：风力发电，变速恒频，同步发电机，并网II850KW Wind Power Distribution System for Research and DesignABSTRACTWind power is a renewable clean energy, and is the most mature and the largest developed conditions of the power generation in new energy power generation technology .In a long-term it may become an important alternative sources of energy in the world. Access to large-scale wind power grid may occur after the voltage fluctuations, harmonic pollution, the system capacity increase short-circuit and transient stability of system changes in a range of issues. Thus, with a higher proportion of wind power, analyze the characteristics of wind power and its impact on power quality grid to study how to reduce their impact on the power grid and improve grid access to wind power after the power quality, wind power has become an important research direction. This article has designed a variable speed constant frequency wind-based control system from the safe, reliable point of view. The system uses a synchronous generator, through the ACDCAC will be issued variable frequency power into constant frequency electricity into the grid.KEY WORDS：Wind power generation, variable speed constant frequency, synchronous generator, connect to gridI目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.1 风力发电概况11.2 风力发电的基本原理21.3 我国风力发电的现状31.4 选题背景42 风力发电概述52.1 风力发电系统的主要设备52.1.1 风力发电系统的风力机52.1.2 风力发电系统中的同步发电机52.1.3 风力发电系统的偏航装置62.2 风力发电系统的运行控制和安全保护装置72.2.1 控制和安全保护装置的控制要求82.2.2 控制和安全保护装置的保护功能92.3 风力发电机组的并网控制92.3.1 恒速恒频风电机组控制102.3.2 变速恒频风电机组控制102.3.3 并网运行中大、小发电机的切换控制113 同步发电机和逆变器133.1 同步发电机10133.1.1 同步发电机的基本结构133.1.2 同步发电机的工作原理133.1.3 同步发电机的功率特性143.1.4 同步发电机励磁系统简介173.2 同步发电机的并网运行183.2.1 并网运行的优势183.2.2 同步发电机的并网方式193.3 逆变器203.1.1 逆变电路的基本工作原理203.1.2 电压型逆变电路的特点213.1.3 三相电压型逆变电路原理213.1.4 三相桥式PWM型逆变电路234 变速恒频风力发电系统的设计264.1 设计说明264.2 同步发电机交/直/交系统的设计264.2.1 设计框图264.2.2 同步发电机的参数274.2.3 励磁机的参数274.2.4 整流器284.2.5 逆变器294.2.6 检测装置304.2.7 控制系统说明324.2.8 功率反馈控制电路说明334.2.9 保护装置说明334.2.10 系统的并网运行346 总 结36致 谢37参 考 文 献3837850kW风力发电供配电系统的研究与设计1 绪 论1.1 风力发电概况 在工业化革命以前，风能就曾经被当作一种能源来使用。在这次革命过程中，风能逐渐被矿物燃料所代替，因为这些燃料既便宜又可靠，第一次石油危机重新激起了人们对利用风能发电、风力提水等技术的兴趣，并开始考虑将其作为偏远地区的能源。自1975年以来，风力发电机的研制取得了长足的进步，风力发电的成本不断降低。1980-1981年间，55kW风力发电机组的研制成功是现代风机制造技术的重大突破，随着这种风力发电机组的出现，单位千瓦时的风力发电成本大约下降了50%，在美国加利福尼亚Palm Springs安装了上千台这样的风机，风力发电产业逐步壮大。目前，风电场运行的主力机型是600kW和750kW级的机组，兆瓦级和几个兆瓦级的风力发电机组也已研制成功。NEG-Micon公司于1995年、Vestas公司于1996年丰别研制成功1500kW风电机组，1998年，兆瓦级的风力发电机市场开始形成。1998年秋季，Bonus公司推出2MW机组，风轮直径72m，塔筒高度60m。1999年8月，NEG-Micon也研制成功2MW风力发电机组，风轮直径72m，塔筒高度68m。在风电机组的制造技术不断取得重要突破并日趋成熟的同时，大型风电场的建设和运行也取得了很大的成功，截止到2000年底，全世界风力发电装机容量已经达到17706MW，排在前三位的国家分别是：德国6113MW，美国2555MW，西班牙2402MW，德国、美国、西班牙、丹麦和印度的装机容量占到世界风电装机容量的80%。在能源短缺和环境污染的双重压力下，许多国家都制定了关于可再生能源的未来发展战略，风力发电由于技术成熟、利用效率高，受到很大的重视。例如丹麦政府21世纪能源行动计划中宣布：到2030年，丹麦的离岸风电装机容量将达到4000MW，陆上风电装机容量将达到1500MW，到那时，丹麦电力消费总量的一半将由风力发电提供。另一方面，风力发电在整个能源供应体系中之所以长期处于从属地位，是由于其自身固有的缺点造成的：可靠性低，成本偏高，与水火电相比没有竞争力。这种局面的出现既有风机制造技术水平的原因，也有运行管理上的原因。随着风机制造水平越来越高，成本逐步降低，而机组自身的可靠性不断提高，后者已上升为主要原因。与水火带你机组相比，风电机组的出力可靠性差（取决于风速条件），风电的并网运行对多年形成的传统电力系统运行机制是个严重的冲击：（a）随着风电场的装机容量越来越大，人们越来越关心一个系统到底能够接受多少风电，即所谓的穿透功率极限问题，这个问题不解决，人们在观念上对风电的抵触和阻碍也不会消失；（b）由于风电场的处理是大幅度频繁波动的，为了保证整个系统的安全、稳定和优质运行，需要增加系统的旋转备用容量和调频机组容量，其后果是增加了系统的运行成本，如果增加的这部分成本大于风电节省的燃料成本，对系统而言就是亏本的，这是哪个电力系统都不愿接受的，因此需要研究风电并网系统的经济运行方式。1.2 风力发电的基本原理先前的风力发电机发出的电时有时无，电压和频率不稳定，是没有实际应用价值的。一阵狂风吹来，风轮越转越快，系统就会被吹跨。为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。齿轮箱可以将很低的风轮转速（600kW的风机通常为27r/min）变为很高的发电机转速（通常为1500 r/min）。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。要知道，600kW的风机机舱总重20多吨，使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。风机是有许多转动部件的。业已说明，机舱在水平面旋转，随时跟风。风轮沿水平轴旋转，以便产生动力。在变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况。在停机时，叶片尖部要甩出，以便形成阻尼。液压系统就是用于调节叶片桨矩、阻尼、停机、刹车等状态下使用。 控制系统是现代风力发电机的神经中枢。现代风机是无人值守的。就600kW风机而言，一般在4m/s左右的风速自动启动，在14m/s左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25m/s时自动停机。现代风机的存活风速为60-70m/s，也就是说在这么大的风速下风机也不会被吹坏。要知道，通常所说的12级飓风，其风速范围也仅为32.7-36.9m/s。风机的控制系统，要在这样恶劣的条件下，根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网。并监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机。风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。在理论上，最好的风轮约60%的风能转化为机械能。现代风力发电机组风轮效率可达40%。在风力发电机组输出达到额定功率之前，其功率与风速的立方成正比。 风力发电的突出优点是：环境效益好，不排放任何有害气体和废气物。风电场虽然占了大片土地，但是风力发电机组基础使用面积很小，不影响农田和牧场的正常生产。到风的地方往往是荒滩或山地，建设风力发电场的同时也开发了旅游资源。图1-1 新型风力发电的原理图1.3 我国风力发电的现状1 目前我国的风电事业发展较快，无论技术还是产业均取得长足进步，全国风电装机到2000年底为34.4万kW, 2001年为39.93万kW, 2002年底达到了46.84万kW。随着风力发电技术日趋成熟，市场规模不断扩大，风力发电的成本效益也逐渐改善。设备的国产化率有了明显提高。风电的优越性愈来愈多地受到人们的认识与重视。但也应该看到，风电在我国的电力装机容量中所占比重较小。发展的实践证明，我国风电产业的发展还面临一系列障碍和问题，其中既有政策问题，也有技术问题;既有机制问题，也有认识问题。因此，研究分析风电发展存在的问题和影响因素，提出相应的措施和对策，是促进我国风电产业发展的一项紧迫任务。 当前我国建设风力发电场的主要投资是风力发电机组设备，占总投资的80%以上。1997-1998年，我国风电场投产209台机组，合计容量114200kW全部为进口，设备价格高，风电场单位kW造价约8000-9000元，其中机组占投资的75-80%，只有逐步实现国产化，才能把风电场造价和运行成本降下来。此外，由于运行的大容量风力发电机由国外进口，而国外风力发电组的容量、规格更新很快，我国进口的许多型号的风力发电机产品不再生产，所以风电场设备的更换、维护也是一个问题。在今后我国风力发电机的制造和维护必将成为一种新兴的产业，成为世界主要风力发电设备的制造国。风力发电行业的发展，也势必拉动复合材料行业、发电机行业等相关产业的发展。我国风电场年利用小时数一般为2700小时;一些地方达到3200小时，因而风电成本为0. 45-0. 70元/kWh，在现阶段仍需国家政策给予扶持。随着对能源需求和环保法规执法力度不断加大，而风电技术是一门不断发展和完善中的多学科的高新技术，为降低造价，在提高单机容量，改进结构设计和制造工艺，以及减轻部件重量上，不断进行技术创新，它的优势和经济性必将日益发挥出来。 大型风电机组并网发电是世界风能利用的主要形式，并网型风力发电机组的功能是将风中的动能转换成机械能，再将机械能转换为电能，输送到电网中。对并网型风力发电机组的基本要求是在当地风况、气候、和电网条件下能够长期安全运行，取得最大的年发电量和最低的成本。目前大中型风电机组并网发电，已经成为我国风能利用的主要形式，随着并网机组需求持续增长，生产量上升，机组更新换代，单机容量提高，机组性能优化，故障降低，生产成本下降，风电已经接近与常规能源竞争的能力。1.4 选题背景自工业化革命以来，人类社会的生产力水平达到了空前的高度，但与此同时对能源的不合理利用，对环境的破坏也达到了空前的规模和程度，已经直接危及到了人类自身的生存：温室气体过度排放造成南极臭氧空洞越来越大，前苏联切尔诺贝利核电站泄漏的事故影响至今。西方国家甚至出现了以保护环境、节约能源为施政纲领的绿党，2008年之夏的北京奥运会以倡导绿色奥运而被永载史册。毋庸置疑，用风能、太阳能和生物能等形式的可再生清洁能源代替以化石燃料为代表的常规能源，为子孙后代留下一片碧水蓝天，实现经济、社会和人类的可持续发展，已是世界各国的共识。 随着环保问题的日益突出，能源供应的渐趋紧张，风力发电作为一种清洁的可再生能源的发电方式，已越来越受到世界各国人民的欢迎和重视。同时，风力发电又是新能源发电技术中最成熟和最具规模开发条件的发电方式之一。因此，近几年来，我国的风力发电事业得到了很快的发展。本课题以目前风力发电系统中较普遍使用的MW级风力发电机为研究对象，主要研究风力发电系统的单机并网方案和风电场集中并网方案。各设计一套论证充分的并网方案，最后在通过实践验证其可行性。2 风力发电概述2.1 风力发电系统的主要设备22.1.1 风力发电系统的风力机 风力机多种多样，但归纳起来可分为两类:水平轴风力机和垂直轴风力机。水平轴风力机可分为升力型和阻力型，它的风轮旋转轴与风向平行，升力型旋转速度快，阻力型旋转速度慢。垂直轴风力机在风向改变时无需对风，相对于水平轴风力机是一大优点，但其尖速比较低，提供的功率输出较低。（1）风力机的主要部件 水平轴风力机主要由风轮、塔架及对风装置组成。水平轴风力机的风轮由2或3个叶片组成。风轮旋转时，叶片受到离心力和气动力的作用，当风速高于风力机的设计风速时，需对风轮进行控制。 塔架用来将风轮支撑起来，它主要承受两个载荷:一个是风力机的重力，向下压在塔架上；另一个是阻力，使塔架向风的下游方向弯曲；大型风力机的塔架基本上是锥形圆柱钢塔架。 水平轴风力机为了得到最高的风能利用效率，应使风轮的旋转面经常对准风向，因此需要对风装置。大型并网风力发电机采用专门设计的风向传感器与伺服电机相结合的传动机构来实现对风。（2）风力机的功率 风力机的风轮从空气中吸收能量，风轮从风中吸收的功率可用下面公式表示： （2-1） （2-2）式中：为风轮输出的功率，kW； 为风轮的功率系数；为风轮扫过的面积； 为空气密度，；为场地风速，m/s； 为风轮半径，m。当风速增加一倍时，风轮从气流中吸收的能量增加八倍，所以在确定风力机的安装位置和选择风力机的型号时，都必须考虑这个因素。2.1.2 风力发电系统中的同步发电机同步发电机的基本类型分为旋转电枢式和旋转磁极式两种。旋转磁极式同步发电机的突出优点是:电枢绕组输出的交流电不必要通过运动的滑环和电刷，而是直接由固定的电枢绕组引线电缆送往负荷，所以其机械强度和绝缘条件都比较好，因而提高了电枢绕组的安全性和可靠性。这种同步发电机的磁极上绕有励磁绕组，而产生发电机转子旋转磁场的励磁电流经电刷和滑环引入励磁绕组。由此可知，旋转磁极式同步发电机的磁场所需励磁电压较低，励磁电流也比较小，因此集电环和电刷的工作较为可靠且寿命很长，现在大多数交流同步发电机均采用这种方式。将同步发电机应用到风力发电上有两种机械联接方式:一种是通过变速齿轮箱，做成高速同步发电机；另一种是取消变速齿轮箱，把风轮轴与发电机直联，并把发电机做成低速同步发电机。无论采用哪种机械联接方式，若发电机定子出线端直接接入工频电网，则需要一套稳速装置。调速系统是用来控制风力机转速及有功功率的，励磁系统是调控同步发电机的电压及无功功率的，下图中n，U，P分别代表风力机的转速、发电机的电压、输出功率。同步发电机并网后，必须对发电机的电压、频率及输出功率进行有效控制，否则会发生失步现象。图2-1 同步发电系统原理图同步发电机的频率调整有两种情况:一是负荷变化前后发电机稳定频率的差值与额定频率比值的稳态频率调整率；二是发电机负荷突变时的瞬间频率调整率与负荷变化前频率的差值，再与额定频率比值的瞬态频率调整率。稳态频率调整率= （2-3）瞬态频率调整率= （2-4）式中：为负荷变化前的频率； 为负荷变化后的稳态频率最大值； 为额定频率； 为负荷突变时的瞬时频率最大值。2.1.3 风力发电系统的偏航装置 偏航装置一般由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计数器、偏航液压回路和纽缆保护装置等几个部分组成。其中，解缆和纽缆是风力发电机组偏航系统的主要功能。偏航系统的偏航动作会导致机舱和塔架之间的连接电缆发生纽绞，所以在偏航系统中应设置与方向有关的计数装置或类似的程序对电缆的纽绞程度进行检测。对于主动偏航系统来说，检测装置或程序应在电缆达到规定的纽绞角度之前发出解缆信号。偏航系统的解缆一般分为初级解缆和终极解缆，初级解缆是在一定的条件下进行的，它与偏航圈数和风速相关。终极解缆一旦被触发，则风力发电机将紧急停机。偏航装置是水平轴式风力发电机组必不可少的组成部分。偏航装置的主要作用有两个：其一是与风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风力发电机组的发电效率;其二是提供必要的锁紧力矩，以保障风力发电机组的安全运行。风力发电机组的偏航装置一般分为主动偏航装置和被动偏航装置。被动偏航是指依靠风力通过相关机构完成机组风轮对风动作的偏航方式，常见的有尾舵、舵轮和下风向三种。主动偏航是指采用电力或液压拖动来完成对风动作的偏航方式，常见的有齿轮驱动和滑动两种形式，对于并网型风力发电机组通常采用主动偏航的齿轮驱动形式。2.2 风力发电系统的运行控制和安全保护装置3控制和安全保护装置是风力发电机组安全运行的大脑指挥中心，控制装置保障了机组的安全运行。控制装置由微机控制器、显示运行控制器、并网控制器、发电机功率控制器、运行状态数据监控器、控制输出驱动电路模版等器件组成。控制装置可以控制的功能和参数包括功率极限、风轮转速、电气负载的连接、起动及停机过程、电网或数据丢失的停机、机舱对风、运行时电量和温度参数的限制。安全保护装置由大风保护、电压保护、电流保护、参数越限保护、抗干扰保护、机组接地保护等器件组成。 我国风电场运行的机组部分为定浆距失速型机组，所谓失速型风力发电机组就是当风速超过风力发电机额定风速时，为确保风力发电机组功率输出不再增加，导致风力发电机过载，通过空气动力学的失速特性，使叶片发生失速从而控制风力发电机组的功率输出。所以，定浆距失速型风力发电机组控制系统的控制原则是功率控制由叶片的失速特性来完成。对于变浆距风力发电机控制原则与定浆距风力发电机不同，即功率调节方式不同，它采用变浆距方式来改变风轮捕捉得能量，从而使风力发电机组的输出功率发生变化，最终达到限制功率输出的目的。风力发电机组的运行是一项复杂的过程，涉及的问题很多，如风速变化、转速变化、温度变化、振动都将直接威胁风力发电机组的安全运行，以下是控制和安全保护装置组成图。图2-2 控制和安全保护装置组成图风力发电机组的正常运行及安全性取决于先进的控制策略和保护功能，控制策略应以主动和被动的方式控制机组的运行，使机组运行在安全允许的规定范围内，并且各项参数保持在正常工作范围内。2.2.1 控制和安全保护装置的控制要求 控制装置保持风力发电机组安全可靠运行，同时高质量地将不断变化的风能转化为频率、电压恒定的交流电送入电网。采用计算机控制技术实现对风力发电机组的运行参数和状态监控显示及故障处理，完成机组的最佳运行状态管理和控制。大于开机风速并且转速达到并网转速的条件下，风力发电机组能软切入自动并网，保证电流冲击小于额定电流。具体形式的控制过程如下：（1）开机并网控制：当风速10min平均值在系统工作区域内，机械闸松开叶尖复位，风力作用于风轮上，发电机慢慢起动。当发电机转速大于20%的额定转速持续5min，发电机进入软并网拖动状态。当发电机转速升到同步转速时，旁路主接触器动作，机组并入电网运行。（2）小风脱网：当风速10min平均值小于脱网风速或发电机输出功率为负值时，风力发电机必须脱网，处于自由状态。风电机组靠自身的摩擦力缓慢停机，进入待风状态。当风速再次上升达到并网转速时，风电机组又投入运行。（3）普通故障脱网停机：机组运行时发生参数越限、状态异常后，风力发电机进入停机程序，机组投入气动刹车，软脱网。故障消除后计算机可自行恢复正常开机。（4）大风脱网控制：当风速10min平均值大于25m/s时，风力发电机组会出现超速和过载，为使机组安全，这时必须对机组进行大风脱网停机。机组先起动气动刹车，同时偏航90等功率下降后脱网。（5）对风控制：风力发电机组运行在工作区时，应根据机舱的控制灵敏度，确定每次偏航的调整角度。（6）功率调节控制：当风力发电机组在额定风速以上并网运行时，对于失速型风力发电机组由于叶片的失速特性，发电机的功率不会超过额定值的15%。（7）软切入控制：风电机组在进行并网和脱网时，必须进行软切入控制，通过大功率晶闸管和有关控制电路组成。2.2.2 控制和安全保护装置的保护功能保护功能是保持风电机组安全运行，保证机组的所有监控参数在正常允许的范围内，一旦超过极限并出现危险情况时，应能自动处理并安全停机。当风速达到停机风速时，风力发电机组应叶尖限速脱网抱液压机械闸停机，而且在脱网时，风力发电机组偏航90。为了避免小风速时发生频繁开、停机现象，并网后10min内风电机组不能按风速自动停机。同样，在小风速自动脱网停机后，5min内不能软切并网。具体形式的保护功能如下：（1）主电路保护功能：在变压器低压侧进线处设置配电低压断路器，以实现变压器电气元件的维护操作安全和短路过载保护。同样，在发电机三相电缆线入口处，装设自动空气开关断路器，用来实现发电机的过流及短路保护。（2）热继电保护功能：实现机组运行中所有运转装置如发电机、电动机和各传动机构的过热保护功能。（3）接地保护功能：对由于设备绝缘破坏或其他原因引起出现危险电压的金属部分实现保护。2.3 风力发电机组的并网控制在风力发电中，当风力发电机组与电网并网时，要求风电的频率与电网的频率保持一致，即保持频率恒定。恒速恒频即在风力发电过程中，保持风车的转速(即发电机的转速)不变，从而得到恒频的电能。由于风能与风速的三次方成正比，当风速在一定范围内变化时，如果允许风车做变速运动，则能达到更好利用风能的目的。风车将风能转换成机械能的效率可用输出功率系数C来表示，C在某一确定的风轮周速比k(桨叶尖速度与风速之比)下达到最大值。恒速恒频机组的风车转速保持不变，而风速又经常变化，显然C不可能保持最佳值。 为了适应大、小风速的要求，一般采用两台不同容量、不同极数的发电机，风速低时用小容量发电机发电，风速高时则用大容量发电机发电，同时一般通过变桨距系统改变桨叶的攻角以调整输出功率。但这也只能使发电机在两个风速下具有较佳的输出系数，而无法有效地利用不同风速时的风能。2.3.1 恒速恒频风电机组控制 风电机组的软启动并网是在风电机组启动时，控制系统对风速的变化情况进行不间断的检测，当10min平均风速大于起动风速时，控制风电机组会做好切人电网的一切准备工作，松开机械刹车，收回叶尖阻尼板，风轮处于迎风方向。控制系统不间断地检测各传感器信号是否正常，如液压系统压力是否正常，风向是否偏离，电网参数是否正常等。如10min平均风速仍大于起动风速，则检测风轮是否已开始转动，并开启晶闸管限流软起动装置快速起动风轮机，并对起动电流进行控制，使其不超过最大限定值。并网过程中，电流一般被限制在大发电机额定电流以下，如超出额定电流时间持续3.0s，可以断定晶闸管故障，需要安全停机。由于并网过程是在转速达到同步转速附近进行的，这时转差不大，冲击电流较小，主要是励磁涌流的存在，持续30-40ms。因此无需根据电流反馈调整导通角。晶闸管按照0，15，30，45 ， 60 ，75， 90，180导通角依次变化，可保证起动电流在额定电流以下。晶闸管导通角由0大到180完全导通，时间一般不超过6s，否则被认为故障。晶闸管完全导通1s后，旁路接触器吸合，发出吸合命令1s内应收到旁路反馈信号，否则旁路投入失败，正常停机。在此期间，晶闸管仍然完全导通，收到旁路反馈信号后，停止触发，风力发电机组进入正常运行。2.3.2 变速恒频风电机组控制5在风力发电过程中，让风车的转速随风速而变化，再通过其它控制方式来得到恒频电能的方法，被称之为变速恒频。变速恒频机组的特点是风车和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。由于风车的转速可变，可以通过适当的控制，使风车的周速比处于或接近最佳值，从而最大限度地利用风能发电。 由于自然界的风力变幻莫测，风速总是处在不断地变化之中，而风能与风速之间成三次方的关系，风速的较小变化都将造成风能的较大变化，导致风力发电机的输出功率处于不断变化的状态。对于变桨距风力发电机，当风速高于额定风速后，变桨距机构为了限制发电机输出功率，将调节桨距，以调节输出功率。如果风速变化幅度大，频率高，将导致变桨距机构频繁大幅度动作，容易使变桨距机构损坏；同时，变桨距机构控制的叶片桨距为大惯量系统，存在较大的滞后时间，桨距调节的滞后也将造成发电机输出功率的较大波动，对电网造成一定的不良影响。 为了减小变桨距调节方式对电网的不良影响，可采用一种新的功率辅助调节方式-转子电流控制RCC(Rotor Current Control)方式来配合变桨距机构，共同完成发电机输出功率的调节。RCC控制必须在线绕式异步发电机上使用，通过电力电子装置，控制发电机的转子电流，使普通异步发电机成为可变滑差发电机。RCC控制是一种快速电气控制方式，用于克服风速的快速变化。采用了RCC控制的变桨距风力发电机，变桨距机构主要用于风速缓慢上升或下降时，通过调整叶片攻角，调节输出功率。RCC控制单元则应用于风速变化较快或风速突然发生变化时调节发电机的滑差，使发电机的转速在一定范围内变化，同时保持转子电流不变，也使发电机的输出功率保持不变。2.3.3 并网运行中大、小发电机的切换控制 在风电机组运行过程中，因风速的变化而引起发电机的输出功率发生变化时，控制系统应能根据发电机输出功率的变化对大、小发电机进行自动切换，从而提高风电机组的效率。具体控制方法如下：（1）从小发电机向大发电机切换 在小发电机并网发电期间，控制系统对其输出功率进行检测，若1s内瞬时功率超过小发电机额定功率的20%，或2min内的平均功率大于某一定值时，则进行小发电机向大发电机的切换。切换过程为:首先切除补偿电容，然后小发电机脱网，等风轮自由转动到一定速度后，再实现大发电机的软并网；若在切换过程中风速突然变小，使风轮转速降低的情况下，应再将小发电机软并网，重新实现小发电机的并网运行。为提高发电机运行效率，风力发电机采用双速发电机。低风速时，小发电机工作，高风速时，大发电机工作。小发电机为6极绕组，同步转速为1000r/min，大发电机为4极绕组，同步转速1500r/min小发电机向大发电机切换的控制，一般以平均功率或瞬时功率参数为预置切换点。例如NEGMIicon 750kW机组以10min平均功率达到某一预置值P1或4min平均功率达到预置值P2为切换依据。采用瞬时功率参数时，一般以5min内测量的功率值全部大于某一预置值P1，或lmin内的功率全部大于预置P2值作为切换的依据。执行小发电机向大发电机的切换时，首先断开小发电机接触器，再断开旁路接触器。此时，发电机脱网，风力将带动发电机转速迅速上升，在到达同步转速1500r/min附近时，再次执行大小发电机的软并网程序。（2）从大发电机向小发电机切换 检测大发电机的输出功率，若2min内平均功率小于某一设定值(此值应小于小发电机的额定功率)时，或50秒瞬时功率小于另一更小的设定值时，立即切换到小发电机运行。切换过程为:切除大发电机的补偿电容器，脱网，然后小发电机软并网，计时20秒，测量小发电机的转速，若20秒后未达到小发电机的同步转速，则停机，控制系统复位，重新起动；若20秒内转速己达到小发电机旁路转速则起动旁路晶闸管软起动装置，再根据系统无功功率情况投入补偿电容器。大发电机向小发电机的切换当发电机功率持续l0min内低于预置值P3时，或10min内平均功率低于预置值P4时，将执行大发电机向小发电机的切换。首先断开大发电机接触器，再断开旁路接触器。由于发电机在此之前仍处于出力状态，转速在1500r/min以上，脱网后转速将进一步上升。由于存在过速保护和计算机超速检测，因此，应迅速投入小发电机接触器，执行软并网，由电网负荷将发电机转速拖到小发电机额定转速附近。只要转速不超过超速保护的设定值，就允许执行小发电机软并网。由于风力机是一个巨大的惯性体，当它转速降低时要释放出巨大的能量，这些能量在过渡过程中将全部加在小发电机轴上而转换成电能，这就必然使过渡过程延长。为了使切换过程得以安全、顺利地进行，可以考虑在大发电机切出电网的同时释放叶尖扰流器，使转速下降到小发电机并网预置点以下，再由液压系统收回叶尖扰流器。稍后，发电机转速上升，重新切人电网。3 同步发电机和逆变器3.1 同步发电机103.1.1 同步发电机的基本结构同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。图3-1 同步发电机的结构模型图3-1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。 气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。 除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。3.1.2 同步发电机的工作原理同步发电机中静止的部分称为定子，旋转的部分称为转子。在一般同步发电机中，旋转的部分是磁极，以恒定不变的转速在旋转。转子上有绕组，绕组中通以直流以后便可激励磁场。定子上有许多槽，槽中安装导体，其目的是为了在其中得到感应电动势。根据右手定则可知：当导体被N极磁场切割时，它的感应电动势方向为流出纸面；当导体被S极磁场切割时，它的感应电动势方向为流入纸面。转子旋转时，导体交替地为N极和S极磁场所切割，因此每根导体中的感应电动势方向是交变的。磁通首先切割A相导体，当转子转子转过120及240后，磁通再依次切割B相导体和C相导体。因此，A相的感应电动势便超前B相感应电动势120，B相的感应电动势又超前C相感应电动势120。三相电动势的大小相等，相位互差120，这就是三相同步发电机的简单工作原理。交流电机的感应电动势由电动势的频率、电动势的波形和电动势的大小3个基本要素决定。3.1.3 同步发电机的功率特性（1）功率平衡同步发电机的功率流程如图3-2所示。为自原动机向发电机的输入的机械功率，其中一部分提供轴与轴承间的摩擦、转动部分与空气的摩擦及通风设备的损耗，总计为机械损耗，另一部分供给定子铁心中的涡流和磁滞损耗，总计为铁心损耗,为通过电磁感应作用转变为定子绕组上的电功率，称为电磁功率 。如果是负载运行，定子绕组中还存在定子铜耗，就是发电机的输出功率。同步发电机的功率平衡方程式为 (3-1)定子绕组的电阻一般较小，其铜耗可以忽略不计，则有 (3-2)图3-2 同步发电机功率流程图（2）功角的概念为内功率因数角，定义为功角。它表示发电机的励磁电势和端电压之间相角差。功角对于研究同步电机的功率变化和运行的稳定性有重要意义。图3-3画出了同步电机的时空相量图。图中忽略了定子绕组的漏磁电势，认为，对应于转子磁势，对应于电枢磁势，所以可近似认为端电压由合成磁势所感应。和之间的空间相角差即为和之间的时间相角差 。可见功角在时间上表示端电压和励磁磁势之间的相位差，在空间上表现为合成磁场轴线与转子磁场轴线之间夹角。并网运行时，为电网电压，其大小和频率不变，对应的合成磁势总是以同步速度旋转，因此功角的大小只能由转子磁势的角速度决定。稳定运行时，和之间无相对运动，具有固定的值。图3-3 功角的空间概念（3）功角特性功角特性指的是电磁功率随功角变化的关系曲线的。（a）凸极电机 (3-3)令可以求出对应于最大电磁功率的功角,一般来说凸极电机的在45-90之间。 （b）隐极电机 (3-4)最大功率与额定功率的比值定义为同步发电机的过载能力。对隐极电机来说 （3-5）图3-4 同步发电机的功角特性（a）隐极电机 （b）凸极电机（4）有功功率和无功功率（a）有功功率的调节功角特性反映了同步发电机的电磁功率随着功角变化的情况。稳态运行时，同步发电机的转速由电网的频率决定，恒等于同步转速，发电机的电磁转矩 和电磁功率之间成正比关系： 。电磁转矩与原动机提供的动力转矩相平衡，其中为空载转矩因摩擦、风阻等引起的阻力转矩。可见要改变发电机输送给电网的有功功率，就必须改变原动机提供的动力转矩，这一改变可以通过调节水轮机的进水量或汽轮机的汽门来达到。当功角处于0到范围内时，随着的增大，亦增大，同步发电机在这一区间能够稳定运行。而当时，随着的增大，反而减小，电磁功率无法与输入的机械功率相平衡，发电机转速越来越大，发电机将失去同步，故在这一区间发电机不能稳定运行。同步发电机失去同步后，必须立即减小原动机输入的机械功率，否则将使转子达到极高的转速，以致离心力过大而损坏转子。另外，失步后，发电机的频率和电网频率不一致，定子绕组中将出现一个很大的电流而烧坏定子绕组。因此，保持同步十分重要。综上所述：并联于电网的发电机所承担的有功功率可以通过调节原动机输入的机械功率来改变。而且电机承担的有功功率的极限是，当时发电机可以稳定运行；发电机不能稳定运行。应当注意，当发电机的励磁电流不变时，的变化也将引起无功功率的变化。无功功率随着有功功率的增加而减少，甚至可能导致无功功率改变符号，这是应当避免的。因此如果只要求改变发电机所承担的有功功率时，应该在调节发电机有功功率的同时适当调节发电机的无功功率。（b）无功功率的调节接在电网上运行的负载类型很多，多数负载除了消耗有功功率外，还要消耗电感性无功功率，如接在电网上运行的同步发电机、变压器、电抗器等。所以电网除了供应有功功率外，还要供应大量滞后性的无功功率。电网所供给的全部无功功率一般由并网的发电机分担。电网的电压和频率不会因为一台发电机运行情况的改变而改变，即并网发电机的电压和频率将维持常数。如果保持原动机的拖动转矩不变(即不调节原动机的汽门、油门或水门)，那么发电机输出的有功功率亦将保持不变。图2-15给出了有功功率不变而空载电势变化时，隐极发电机的电势相量图，和的矢端必须落在直线AB和CD上。a）如果在某一励磁电流时，正好与平行，此时无功功率为零,发电机输出的全部是有功功率，发电机正常励磁。b）如果增加励磁电流到，则将沿直线AB右移到，将沿直线CD下移至 ，滞后于，发电机处于过励状态，输出功率中除了有功功率外，还有滞后性的无功功率；c）如将励磁电流减少到，则沿BA左移到，沿DC 上移到，超前于，发电机处于欠励状态，发电机输出功率中除了有功功率外，还有超前性的无功功率。图3-5 同步发电机无功功率的调节3.1.4 同步发电机励磁系统简介4获得励磁电流的方法称为励磁方式。目前采用的励磁方式分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；另一类是用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。现说明如下：（1）直流励磁机系统直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或者他励接法。采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。如图3-6所示。 图3-6 直流励磁机励磁（2）静止整流器励磁 同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。图3-7 静止整流器励磁系统（3）旋转整流器励磁 静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统，如图3-8所示。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。图3-8 旋转整流器励磁系统3.2 同步发电机的并网运行3.2.1 并网运行的优势单机供电的缺点是明显的：既不能保证供电质量(电压和频率的稳定性)和可靠性(发生故障就得停电)，又无法实现供电的灵活性和经济性。这些缺点可以通过多机并联来改善。通过并联可将几台电机或几个电站并成一个电网。现代发电厂中都是把几台同步发电机并联起来接在共同的汇流排上(见图3-9)，一个地区总是有好几个发电厂并联起来组成一个强大的电力系统(电网)。图3-9 同步发电机并联成大电网图3-10 同步发电机并联运行电网供电比单机供电有许多优点：（a）提高了供电的可靠性，一台电机发生故障或定期检修不会引起停电事故。（b）提高了供电的经济性和灵活性，在用电高峰期和低谷期，可以灵活地决定投入电网的发电机数量，提高了发电效率和供电灵活性。（c）提高了供电质量，电网的容量巨大(相对于单台发电机或者个别负载可视为无穷大)，单台发电机的投入与停机，个别负载的变化，对电网的影响甚微，衡量供电质量的电压和频率可视为恒定不变的常数。 电网对单台发电机来说可视为无穷大电网或无穷大汇流排。同步发电机并联到电网后，它的运行情况要受到电网的制约，也就是说它的电压、频率要和电网一致而不能单独变化。3.2.2 同步发电机的并网方式同步发电机应用到风力发电上有两种机械联结方式，一种是通过变速齿轮箱，做成高速同步发电机。另一种是取消变速齿轮箱，把风轮轴与发电机直联，并把发电机做成低速同步发电机。同步发电机的并网比较复杂，需要一整套并网措施。（1）准同步并网方式在同步发电机中，发电机的极对数、转速及频率之间有严格不变的关系，即： （3-6）式中：为电机的极对数；为发电机转速(r/min)； 为发电机产生的交流电频率(Hz)；要把同步发电机通过准同步并网方法连接到电网上必须满足以下四个条件：（a）发电机的电压等于电网电压，并且电压波形相同；（b）发电机的电压相序与电网的电压相序相同；（c）发电机频率与电网的频率相同；（d）并网合闸瞬间发电机的电压相角与电网电压的相角一致。 满足上述理想并网条件的并网方式即为准同步并网方式，在这种并网方式下，并网瞬间不会产生冲击电流，不会引起电网电压的下降，也不会对发电机定子绕组及其他机械部件造成损害。对于风力驱动的同步