培训Repower风力发电机及其系统培训

培训Repower风力发电机及其系统培训第1页/共79页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＋控制柜第2页/共79页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第3页/共79页定速笼型异步风力发电机系统第4页/共79页三相笼型异步风力发电机第5页/共79页笼型异步风力发电机的内部结构定子铁心转子绕组（端环）机座转子铁心定子绕组风扇端盖第6页/共79页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，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。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：

旋转磁场——同步转速第7页/共79页笼型异步风力发电机的工作原理Sn1Nffne,

iT

f

产生电磁转矩T

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

i在磁场中产生电磁力f

若转子以转速n>n1,向n1的方向旋转

n是否会等于

n1？要产生T，必须n≠n1——异步机械能

→电能，是发电机转子转速大于定子旋转磁场转速，发电！第8页/共79页笼型异步风力发电机的工作原理

转差率笼型异步发电机中转差率S与运行状态的关系?

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

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。n＝(1－s)n1则转子转速n可表示为：第9页/共79页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电动机状态用转差率s可以表示异步电机的运行状态!n＞n1＞0s＜00＜n＜n10＜s＜101n10ns第10页/共79页电机正反转控制图第11页/共79页笼型异步发电机的等值电路一相等值电路定子漏阻抗、转子漏阻抗（折合）、励磁阻抗转子可变电阻反映发电机的负载状况第12页/共79页铁损和铜损铁损：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。第13页/共79页笼型异步发电机的功率表述定子输出功率：定、转子铜损耗：机械输入功率：电磁功率：铁损耗：第14页/共79页笼型异步发电机的功率流程图第15页/共79页笼型异步发电机的机械特性曲线电磁转矩：电动机状态：0＜n＜n1，0＜s＜1发电机状态：0＜n1＜n

，s＜0软特性

vs.硬特性第16页/共79页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，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；

第17页/共79页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第18页/共79页转子电流受控的异步风力发电机系统(RotorCurrentControl，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。第19页/共79页转子电流受控的异步风力发电机系统(RotorCurrentControl，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。第20页/共79页转子电流受控的异步风力发电机系统(RotorCurrentControl，RCC)转子电流斩波控制电路：原理：控制附加电阻的接入时间，从而控制转子电流第21页/共79页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；（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。第22页/共79页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第23页/共79页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第24页/共79页双馈异步风力发电机系统双馈异步风力发电机（风冷）第25页/共79页双馈异步风力发电机系统风力发电机的关键部位：滑环（电刷）系统第26页/共79页双馈异步风力发电机系统什么是双馈电机？所谓双馈电机,就是将电能分别馈入绕线转子异步电机的定子绕组和转子绕组,一般将定子绕组接入电网,而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。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.第27页/共79页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；第28页/共79页双馈异步风力发电机系统控制原理简图第29页/共79页双馈异步风力发电机系统双馈系统（变换器系统）:(1)交交变频器(双馈中有一定应用)优点:自然换流,四象限可靠运行;无直流滤波,变频效率高。缺点:变压器始终吸收无功、功率因数低;谐波大,输出频率低,需要隔离变压器(2)交直交变频器(大量应用)优点:双PWM实现能量的双向传递;结构简单、电流谐波含量小、输入功率因数可控缺点:直流环节的滤波电容体积较大,寿命较短,且双侧采用PWM控制,开关损耗较大.(3)矩阵变换器(研发阶段)优点:四象限运行;可输出幅值、频率、相位和相序均可控的电压,谐波含量较小.缺点:换流过程不允许两个开关同时导通或同时关断,实现比较困难第30页/共79页风力发电系统简图第31页/共79页双馈异步风力发电机系统基于IGBT（绝缘栅双极晶闸管）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第32页/共79页双馈异步风力发电机系统IGBT原理图第33页/共79页双馈异步风力发电机系统第34页/共79页双馈异步风力发电机系统第35页/共79页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。第36页/共79页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。第37页/共79页双馈异步风力发电机的等值电路S≠0

时S＝0

时，右边的转子支路转变为一个电流源。第38页/共79页双馈异步风力发电机系统亚同步发电运行

nr

＜n1时，（即0＜S＜1）

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

＞n1时，（即S＞1）

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）第39页/共79页将定转子电压、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。第40页/共79页定子磁场定向矢量控制第41页/共79页双馈发电机的功率转速关系此图参考1.5MW风机第42页/共79页双馈发电机的负载电流关系第43页/共79页双馈发电机的负载转子电压关系第44页/共79页双馈发电机的效率曲线第45页/共79页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；（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。第46页/共79页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第47页/共79页转子电流混合控制的异步风力发电机系统

混合控制双馈＋斩波第48页/共79页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。第49页/共79页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第50页/共79页变速笼型异步风力发电机系统gearboxbrakepitchdriveinverterrectifierlinecouplingtransformergridsidebreakerYawdrivegeneratorsidebreakerConverter(fullrating)windturbinecontrollerconvertercontrollerCageInductiongenerator第51页/共79页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。第52页/共79页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第53页/共79页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。第54页/共79页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。第55页/共79页直接驱动同步风力发电机第56页/共79页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第57页/共79页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。第58页/共79页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。

第59页/共79页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。第60页/共79页同步风力发电机的电动势方程式电动势方程式:式中，Xd＝Xs＋Xad

Xq＝Xs＋XaqXad、Xaq—每相电枢绕组的直轴、交轴电枢反应电抗。Xd、Xq—每相电枢绕组的直轴、交轴同步电抗。相量图（忽略R）第61页/共79页同步发电机的空载特性

E0:定子一相感应电动势的有效值空载特性E0＝f(if

)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。第62页/共79页同步发电机的外特性

外特性反映负载性质不同时，端电压随负载大小变化而变化的情况。外特性：同步发电机在n＝nN，if＝const，cos＝const的条件下，端电压U和负载电流I的关系曲线。

负载的cos不同，U

随I

变化的趋势有所不同。第63页/共79页同步发电机的电压调整率

保持发电机额定运行时（UN、IN、cosN）的额定励磁电流ifN和转速不变，去掉全部负载后，空载电动势为E0，则电压调整率为式中E0和UN同为相值或线值。第64页/共79页同步发电机的功角特性

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。对隐极同步发电机（不计饱和）:电磁功率的表达式

第65页/共79页同步发电机的功角特性功角特性励磁电磁功率磁阻电磁功率

隐极同步发电机，最大电磁功率出现在＝90处。

凸极同步发电机，最大电磁功率出现在＜90处。第66页/共79页gearboxbrakepitchdrivemaininverter(fullrating)windturbinecontrolrectifierlinecouplingtransformergridsidebreakerYawdrivegeneratorsidebreakerconverterconvertercontrollerSGAVRexciter电励磁直驱同步风力发电机系统第67页/共79页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。第68页/共79页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第69页/共79页永磁直接驱动同步风力发电机永磁同步发电机的功率变换电路第70页/共79页永磁直接驱动同步发电机系统系统特点：永磁发电机具有最高的运行效率；永磁发电机的励磁不可调，导致其感应电动势随转速和负载变化。采用可控PWM整流或不控整流