新能源转换与控制技术

新能源转换与控制技术第1页/共802页2机械工业出版社

第2章电源变换和控制技术基础知识第2页/共802页3机械工业出版社2.1电力电子器件及应用

2.2AC-DC变换电路

2.3DC-DC变换电路

2.4DC-AC变换电路

2.5AC-AC变换电路

2.6多级复合形式的变换电路

2.7半导体功率器件的驱动与保护电路

本章主要内容第3页/共802页4机械工业出版社

◆电力电子器件的概念和特征◆电力电子器件的分类

◆不可控器件——电力二极管

◆半控型器件——晶闸管

◆电力场效应晶体管——电力MOSFET

◆绝缘栅双极型晶体管——IGBT2.1电力电子器件及应用第4页/共802页5机械工业出版社2.1.1电力电子器件的概念和特征◆电力技术（电力设备、电力网络）◆电子技术（电子器件、电子电路）◆控制技术（连续、离散）第5页/共802页6机械工业出版社1974年美国学者W.Newell用于表征电力电子技术的倒三角第6页/共802页7机械工业出版社2.1.2电力电子器件的分类

◆电力电子及其特性◆电力电子器件的分类

◆几种典型的电力电子器件

第7页/共802页8机械工业出版社电力电子及其特性电力电子器件被广泛用于处理电能的主电路中，是实现电能的传输、变换或控制的电子器件。电力电子器件所具有的主要特征为：①电力电子器件处理的电功率的大小是其主要的特征参数。②电力电子器件往往工作在开关状态；③在实际应用中因此需要驱动电路对控制信号进行放大。第8页/共802页9机械工业出版社电力电子器件的分类1、按可控性分类（1）不控型器件：不能用控制信号控制其导通和关断的电力电子器件。如：功率二极管（PowerDiode）。第9页/共802页10机械工业出版社（2）半控型器件：可以通过控制极（门极）控制器件导通，但不能控制其关断的电力电子器件。晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件(除GTO及MCT—MOSFET控制晶闸管等复合器件外)，器件的关断一般依靠其在电路中承受反向电压或减小通态电流使其恢复阻断。第10页/共802页11机械工业出版社（3）全控型器件：既可以通过器件的控制极（门极）控制其导通，又可控制其关断的器件。主要有：功率晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管（GTO）和电力场效应晶体管(P-MOS)等。第11页/共802页12机械工业出版社2、按驱动信号类型分类(1)电流驱动型：通过对控制极注入或抽出电流，实现其开通或关断的电力电子器件称为电流驱动型器件，如Thyrister，GTR，GTO等。(2)电压驱动型：通过对控制极和另一主电极之间施加控制电压信号，实现其开通或关断的电力电子器件称为电压驱动型器件，如P－MOSFET，IGBT等。

第12页/共802页13机械工业出版社几种典型的电力电子器件

不可控器件――电力二极管半控型器件――晶闸管电力场效应晶体管――电力MOSFET绝缘栅双极型晶体管――IGBT第13页/共802页14机械工业出版社1、不可控器件――电力二极管（1）电力二极管的基本特性：电力二极管（PowerDiode）承受的反向电压耐力与阳极通流能力均比普通二极管大得多，但它的工作原理和伏安（V－A）特性与普通二极管基本相同，都具有正向导电性和反向阻断性。电力二极管的电路符号和静态特性（即伏安特性）如下图所示。图2-1电力二极管电路符号及伏安（V－A）特性第14页/共802页15机械工业出版社（2）电力二极管的主要参数正向平均电流IF(AV)：电力二极管在连续运行条件时，器件在额定结温和规定的散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。反向重复峰值电压URRM：指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是雪崩击穿电压URBO的2/3。第15页/共802页16机械工业出版社正向通态压降UF：在额定结温下，电力二极管在导通状态流过某一稳态正向电流（IF）所对应的正向压降。正向压降越低，表明其导通损耗越小。反向恢复电流IRP及反向恢复时间trr：反向恢复时间trr通常定义为从电流下降为零至反向电流衰减至反向恢复电流峰值25％的时间。反向恢复电流IRP及恢复时间trr与正向导通时的正向电流IF及电流下降率diF/dt密切相关。

反向恢复过程：受二极管PN结中空间电荷区存储电荷的影响，向正向导通的二极管施加反向电压时，二极管不能立即转为截止状态，只有存储电荷完全复合后，二极管才呈现高阻状态。第16页/共802页17机械工业出版社2、半控型器件――晶闸管图2-2晶闸管电路符号及伏安（V－A）特性

优点：晶闸管可以承受的电压、电流在功率半导体中均为最高，具有价格便宜、工作可靠的优点，尽管其开关频率较低，但在大功率、低频电力电子装置中仍占主导地位。

第17页/共802页18机械工业出版社（1）基本特性：电流触发特性：当晶闸管A－K极间承受正向电压时，如果G－K极间流过正向触发电流，就会使晶闸管导通。单向导电特性：当承受反向电压时，此时无论门极有无触发电流，晶闸管都不会导通。半控型特性：晶闸管一旦导通，门极就失去作用；此时，不论门极电流是否存在、触发电流极性如何，晶闸管都维持导通。要使导通的晶闸管恢复关断，可对其A－K极间施加反向电压或使其流过的电流小于维持电流（IH）。第18页/共802页19机械工业出版社（2）主要参数额定电压UT：晶闸管在额定结温、门极开路时，允许重复施加的正、反向断态重复峰值电压UDRM和URRM中较小的一个电压值称为晶闸管的额定电压UT。正、反向断态重复峰值电压UDRM、URRM：晶闸管门极开路(Ig=0)、器件在额定结温时，允许重复加在器件上的正、反向峰值电压。一般分别取正、反向断态不重复峰值电压（UDSM、URSM）的90%。正向断态不重复峰值电压应小于转折电压（Ubo）。通态平均电流IT(AV)：在环境温度为40℃和规定的散热条件下、稳定结温不超过额定结温时，晶闸管允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。这也是额定电流的参数。维持电流IH：维持晶闸管导通所必需的最小电流，一般为几十到几百mA。第19页/共802页20机械工业出版社3、电力场效应晶体管――电力MOSFET（1）基本特性图2-3电力MOSFET结构图和电路图形符号第20页/共802页21机械工业出版社a)转移特性b)输出特性图2-4电力MOSFET的转移特性和输出特性第21页/共802页22机械工业出版社（2）主要参数漏极电压UDS漏极直流电流额定值ID和漏极脉冲电流峰值IDM漏源通态电阻RDS(on)：在栅源间施加一定电压（10～15V），漏源间的导通电阻。栅源电压UGS：栅源之间的绝缘层很薄，当|UGS|>20V时将导致绝缘层击穿。极间电容：MOSFET的3个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD、CDS。一般生产厂商提供的是漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss。

Ciss=CGS+CGD（2-1）

Crss=CGD（2-2）

Coss=CDS+CGD（2-3）第22页/共802页23机械工业出版社4、绝缘栅双极型晶体管――IGBT（1）基本特性：图2-5IGBT电路符号图形静态特性与P-MOSFET类似；UGE=0时IC=0，IGBT处于阻断状态（断态）；UGE足够大（一般为5~15V），IGBT进入导通状态（通态），当UCE大于一定值（一般2V左右）时IC>0。优点：驱动功率小、开关速度高通流能力强、耐压等级高第23页/共802页24机械工业出版社（2）主要参数最大集射极间电压BUCES：该参数决定了器件的最高工作电压，这是由内部PNP晶体管所能承受的击穿电压确定的。最大集电极电流ICM：包括在一定壳温下的额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。最大集电极功耗PCM：在正常工作温度下允许的最大耗散功率。集射极间饱和压降UCE(sat)：对栅极与发射极（G－E）间施加一定正向电压，在一定的结温及集电极电流条件下，集射极（C－E）间的饱和通态压降。此压降在集电极电流较小时，呈负温度系数，在电流较大时，为正温度系数，这一特性使IGBT并联运行较为容易。第24页/共802页25机械工业出版社

现代电力电子的应用◆电力电子变换与控制技术（以四大变换展开）◆谐波抑制与功率因素校正技术◆电力电子技术的典型应用案列第25页/共802页26机械工业出版社电力电子变换与控制系统1.主要由AC/DC,DC/AC,DC/DC,AC/AC四大基本变换及其组合构成的主电路拓扑。2.现代电力电子装置的控制系统由微电子器件（硬件）、控制策略（软件）和检测、保护、驱动等组成。第26页/共802页27机械工业出版社四大基本变化电路AC-DC变换电路DC-DC变换电路DC-AC变换电路AC-AC变换电路第27页/共802页28机械工业出版社2.2AC—DC变换电路交流――直流变换器（AC―DCConverter）的功能是将交流电变换成直流电，又称为整流器。第28页/共802页29机械工业出版社a、二极管整流电路――不控整流名称输出电压型输出电流型单相半波单相全波表2-1常用二极管整流器的主要形式第29页/共802页30机械工业出版社单相桥式三相半波三相桥式续表2-1第30页/共802页31机械工业出版社b、晶闸管整流电路――相控整流名称输出电压型输出电流型单相半波单相全波单相桥式半控表2-2常用晶闸管整流器的主要形式第31页/共802页32机械工业出版社单相桥式全控三相半波三相桥式半控三相桥式全控续表2-2第32页/共802页33机械工业出版社c、PWM整流电路――斩波整流图2-6单相半桥整流器图2-7单相全桥整流器第33页/共802页34机械工业出版社图2-8三相电压型PWM整流器图2-9三相电流型PWM整流器第34页/共802页35机械工业出版社2.3DC/DC变换电路直流――直流变换器（DC－DCConverter）的功能是将一种直流电变换为另一种固定或可调电压的直流电，又称为直流斩波器（DCChopper）。第35页/共802页36机械工业出版社a、不隔离式单管DC－DC变换器Buck变换器

是一种降压型DC－DC变换电路，输出电压小于或等于输入电压，输入电流断续。输出电压Uo=DyUin，占空比Dy=ton/Ts＝0～1(下同)。

Boost变换器是一种升压型DC－DC变换电路，输出电压大于输入电压，VT的占空比Dy必须小于1，输入电流连续。输出电压Uo=Uin/(1－Dy)。

第36页/共802页37机械工业出版社Buck－Boost变换器一种升降压型DC－DC变换电路，输出电压大于或小于输入电压，输出电压极性和输入电压极性相反，输入电流断续。输出电压Uo=－DyUin/(1－Dy)。

Cúk变换器

一种升降压型DC－DC变换电路，输出电压大于或小于输入电压，输出电压极性和输入电压极性相反，输入电流连续。输出电压Uo=－(Dy/1－Dy)Uin。

第37页/共802页38机械工业出版社Sepic变换器

一种升降压型DC－DC变换电路，输出电压大于或小于输入电压，输出电压极性和输入电压极性相同，输入电流连续。输出电压Uo=(Dy/1－Dy)Uin。Zeta变换器

一种升降压型DC－DC变换电路，输出电压大于或小于输入电压，输出电压极性和输入电压极性相同。输入电流断续。输出电压Uo=(Dy/1－Dy)Uin。第38页/共802页39机械工业出版社b、隔离型DC－DC变换器

单端正激式DC－DC变换电路图2-10单端正激变换器主电路图2-11正激变换器工作波形

第39页/共802页40机械工业出版社单端反激式DC－DC变换电路图2-12单端反激式DC-DC变换电路第40页/共802页41机械工业出版社a)电流连续模式(CCM)b)电流断续模式(DCM)图2-13反激式变换器工作波形第41页/共802页42机械工业出版社2.4DC－AC变换电路将直流电变换为交流电的过程称为逆变换或DC－AC变换，实现逆变的主电路称为DC－AC变换电路。通常将DC－AC变换电路、控制电路、驱动及保护电路组成的DC－AC逆变电源称为逆变器（Inverter）。

第42页/共802页43机械工业出版社a、常用的DC－AC逆变电路电压型单相半桥逆变电路

直流母线电容滤波，直流电压Ud经C1、C2分压，VT1、VT2交替导通/关断；负载上的电压幅值为Ud的一半，功率为全桥逆变器的四分之一；开关管VT1、VT2上承受的最大电压为Ud；控制方式主要是PWM脉宽调制控制，移相控制等。第43页/共802页44机械工业出版社电压型单相全桥逆变电路直流母线电容Cd滤波，VT1、VT4和VT2、VT3交替导通/关断；加在负载上的电压幅值为Ud，输出功率为半桥逆变器的四倍；开关管VT1～VT4上承受的最大电压为Ud；控制方式有单极、双极式PWM脉宽调制控制，移相控制，调频控制等方式。第44页/共802页45机械工业出版社电流型单相全桥逆变电路直流母线电感Ld滤波，VT1、VT4和VT2、VT3交替导通/关断；负载上的电流波形为方波，幅值为Id；开关管VT1～VT4上承受的电压为负载上的电压。负载上的电压幅值和相位取决于负载阻抗大小和性质。第45页/共802页46机械工业出版社电压型三相桥式逆变电路直流母线电容Cd滤波，负载线电压幅值为Ud，开关管VT1～VT6上承受的最大电压为Ud，控制方式有PWM脉宽调制、移相控制、调频控制等方式，换流方式有1800和1200两种。适合4kW以上的三相负载。第46页/共802页47机械工业出版社b、归纳DC－AC逆变电路的主要拓扑形式

电压型逆变器电流型逆变器单相半桥逆变器单相全桥逆变器三相桥式逆变器第47页/共802页48机械工业出版社c、逆变电路的参数计算电压型单相半桥逆变电路的参数计算逆变器的输入电压为Ud，输出功率为P，可得通过负载的电流有效值为：

对于阻感性负载：

选开关管VT1、VT2上的电压定额为：

选开关管VT1、VT2上的电流定额为：

对于电阻性负载和谐振负载：（2-4）（2-5）（2-6）（2-7）第48页/共802页49机械工业出版社电压型单相全桥逆变电路的参数对于阻感性负载：选开关管VT1、VT2上的电压定额为：选开关管VT1、VT2上的电流定额为：对于电阻性负载和谐振负载：（2-8）（2-9）（2-10）（2-11）第49页/共802页50机械工业出版社电流型单相全桥逆变电路的参数计算等效导纳为：在谐振点工作时，负载为等效电阻Ro、谐振频率为

（2-12）（2-13）第50页/共802页51机械工业出版社将代入R0，得开关管VT1、VT2上的电压定额为开关管VT1、VT2上的电流定额为其中为逆变器输入电流，由负载输出功率P求得（2-17）（2-16）（2-15）（2-14）第51页/共802页52机械工业出版社电压型三相全桥逆变电路的参数计算对于电阻性负载对于电阻电感性负载开关管VT1~VT6上的电流定额为开关管VT1~VT6上的电压定额为（2-21）（2-20）（2-19）（2-18）第52页/共802页53机械工业出版社2.5AC－AC变换电路

交流――交流变换器（AC－ACConverter）分为三大类：第一类频率不变仅改变电压大小的AC－AC电压变换器；第二类直接将一定频率的交流电变换为较低频率交流电的相控式AC－AC直接变换器；在直接变频的同时也可实现电压变换，实现降频降压变换；第三类PWM斩波式AC--AC变换器，即可实现降压又可升压，还可以实现变频控制，是一种高性能的变换器，目前处于研究阶段。第53页/共802页54机械工业出版社a、单相全控AC-AC变换电路电路特点：单相全控型电压控制器，是最基本的交流调压电路。图中2只普通晶闸管（T1、T2）可由一只双向晶闸管取代，但有效电流定额需扩大约70%。

第54页/共802页55机械工业出版社b、单相半控AC-AC变换电路电路特点：节省了一个晶闸管，但移相控制运行时输出电压正负半波不对称，会给交流电网带来谐波污染，不宜用于较大功率的调压控制场合。第55页/共802页56机械工业出版社c、带中性线N，星形联结电路特点：带一根电源中性线，相当于三只单相晶闸管交流调压器的组合，适合带中线的星形平衡负载调压或调功。缺点是三相不平衡运行时，中线含有较大电流及谐波。

第56页/共802页57机械工业出版社d、无中性线的三相连接电路特点：三相负载可为星形、三角形联结，每相电路通过另一相形成回路。不对称运行时，Δ形负载内部有较大环流。第57页/共802页58机械工业出版社e、内△联接的控制器电路特点：反并联晶闸管与各相负载串联后再接成三角形，相当于三个单相电压控制器组成三相晶闸管交流电压控制器。优点是对电网冲击小，缺点是要求负载有6个抽头。

第58页/共802页59机械工业出版社2.6多极复合形式的变换电路

在众多电源变换器中AC－DC，DC－DC，DC－AC和AC－AC变换是四种最基本的电压或频率变换电路。在新能源发电技术的实际应用中，常将两个以上的基本变换电路组合在一起，构成多级复合形式的变换电路。第59页/共802页60机械工业出版社

1．AC－DC－DC－AC变换电路（DC－DC降压型）图2－15降压型AC－DC－DC－AC变换电路第60页/共802页61机械工业出版社2．AC－DC－DC－AC变换电路（DC－DC升压型）图2－16升压型AC－DC－DC－AC变换电路第61页/共802页62机械工业出版社3．隔离式DC－AC－DC变换电路图2－17隔离式DC－AC－DC变换电路第62页/共802页63机械工业出版社4．隔离式AC－DC－AC－DC变换电路图2－18隔离式AC－DC－AC－DC变换电路第63页/共802页64机械工业出版社2.7半导体功率器件的驱动与保护电路

实际的电力电子变换器是由主电路、驱动器及保护电路、控制电路、检测与显示电路等多个子系统构成。驱动器接受控制系统输出的控制信号，经功率放大和隔离后，驱动功率开关器件的导通、关断，是连接功率器件与控制系统的桥梁。由于半导体功率开关器件种类繁多，不同的开关器件对驱动器的性能要求不尽相同，典型的驱动器分为电流驱动型器件和电压驱动型器件的两大类驱动器。电流驱动型器件主要有SCR、GTO和GTR，电压驱动型器件主要有MOSFET、IGBT和SIT等。第64页/共802页65机械工业出版社2.7.1晶闸管SCR触发驱动器图2－19采用变压器隔离的SCR驱动器

图2－20采用光耦隔离的SCR驱动器第65页/共802页66机械工业出版社2.7.2IGBT和MOSFET驱动器

和双极型晶体管（GTR）不同，功率MOSFET和IGBT器件都是属于电压驱动型，输入阻抗很大，为提高器件的开关速度，电压驱动型器件的栅极驱动器除应具有更快的响应速度（ns级）外，同样需要足够大的栅极驱动能力（一般为＋15V）和反向电压（一般为－5v），以保证瞬时完成对等效栅极电容的充电或放电过程。第66页/共802页67机械工业出版社功率MOSFET和IGBT器件驱动器应用实例

1．TLP250功率驱动电路及应用图2－22TLP250组成的驱动电路第67页/共802页68机械工业出版社2．UC3724/UC3725驱动电路图2－23UC3724/3725功率MOSFET驱动电路第68页/共802页69机械工业出版社3．IHD680驱动电路图2－24IHD680驱动电路第69页/共802页70机械工业出版社4．MAX4428驱动电路图2－25MAX4428驱动电路第70页/共802页71机械工业出版社5．IR2110驱动电路图2－26IR2110驱动电路第71页/共802页72机械工业出版社6．EXB841驱动电路图2－27EXB841内部电路第72页/共802页73机械工业出版社2.7.3功率器件的保护电路1．过电流保护电路

过电流保护在电源变换电路中是一个很重要的环节，直接影响到装置的可靠性。

MOSFET和IGBT的过流允许值一般为2倍的电流额定值，IGBT允许过流时间一般≤20μs，MOSFET允许过流时间还要小。考虑到过电流发生和硬件保护电路需要一定的时间，因此要求过电流检测的电流传感器（一般用霍尔传感器）响应速度要快。除了在驱动电路中加过流保护功能外，还要在整流电路输出、逆变电路输入、负载回路加过流检测进行过流保护。第73页/共802页74机械工业出版社

电流传感器的安装位置可选择为：①与直流母线串联，可以检测直流母线后的逆变电路或负载回路的过电流。②与负载串联，可检测负载回路的过电流。③与每一个IGBT串联，可直接检测IGBT的过电流，但使用的电流传感器多，成本高，一般不用。图2－28电流传感器的安装位置第74页/共802页75机械工业出版社

2．过电压保护电路

过电压的抑制方法常利用电容对电压冲击的缓冲作用，设计合适的缓冲电路吸收du/dt或采用软开关技术。采用性能良好的缓冲电路，可使功率MOSFET或IGBT工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗，对装置的运行效率、可靠性、安全性都有重要的意义。第75页/共802页76机械工业出版社典型缓冲吸收电路实例a)b)c)d)图2－30缓冲电路的主要形式第76页/共802页77机械工业出版社第3章风能、风力发电与控制技术第77页/共802页78机械工业出版社第78页/共802页79机械工业出版社

本章主要内容3.1风的特性及风能利用3.2风力发电机组及工作原理3.3风力发电机组的控制策略3.4风力发电机组的并网运行和功率补偿3.5风力发电的经济技术性评价第79页/共802页80机械工业出版社

绪论

在新能源发电技术中，风力发电是其中最接近实用和推广的一种。风力发电是一个综合性较强的系统，涉及空气动力学、机械、电机和控制技术等领域。

风力发电是在大量利用风力提水的基础上发展起来的，它首先起源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风力发电设备的大国。20世纪70年代世界连续出现石油危机，随之而来的环境问题迫使人们考虑可再生能源利用问题，风力发电很快重新提上了议事日程。风力发电是近期内最具开发利用前景的可再生能源，也将是21世纪中发展最快的一种可再生能源。第80页/共802页81机械工业出版社感性认识：各式风机第81页/共802页82机械工业出版社第82页/共802页83机械工业出版社第83页/共802页84机械工业出版社第84页/共802页85机械工业出版社3.1风的特性及风能利用3.1.1风的产生

风是地球上的一种自然现象，由太阳辐射热和地球自转、公转和地表差异等引起，大气是这种能源转换的媒介。图3-1地球上风的运动第85页/共802页86机械工业出版社3.1.2风的特性与风能1、随机性2、风随高度的变化而变化

不同高度风速的表达式：

式中ν——距地面高度为h处的风速（m／s）；

ν0——高度为h0处的风速（m／s），一般取h0为10m；

k——修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度等，其值约为0.125～0.5。

第86页/共802页87机械工业出版社3.1.3风的表示及应用1、风向

风向一般用16个方位表示，也可以用角度表示。图示方向方位图图3-2风向方位图第87页/共802页88机械工业出版社2、风速由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。

3、风力风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级，从静风到飓风共分为13个等级。

风力等级与风速的关系：式中VN——N级风的平均风速(m/s)；

N——风的级数。第88页/共802页89机械工业出版社4、风能

（1）风能密度，空气在一秒钟内以速度ν流过单位面积产生的动能。表达式为：

（2）风能，空气在一秒钟时间内以速度ν流过面积为S截面的动能。

表达式为：

（3）风能利用，风能的利用主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量。第89页/共802页90机械工业出版社风能转换及应用情况如图所示。图3-5风能转换与应用情况第90页/共802页91机械工业出版社3.2风力发电机组及工作原理3.2.1风力发电机组的结构及分类

1、风力发电机组的分类

风力发电机组的分类一般有3种，如下表所示。第91页/共802页92机械工业出版社按风轮轴的安装型式按风力发电机的功率

按运行方式

水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组

微型（额定功率50～1000W）、小型（额定功率1.0～10kW）、中型（额定功率10～100kW）和大型（额定功率大于100kW）

独立运行和并网运行

第92页/共802页93机械工业出版社2、风力发电机组的结构

风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备等技术原因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构。第93页/共802页94机械工业出版社（1）独立运行的风力发电机组

水平轴独立运行的风力发电机组主要由风轮(包括尾舵)、发电机、支架、电缆、充电控制器、逆变器、蓄电池组等组成，其主要结构见右图。

图3-6水平轴独立运行的风力发电机组主要结构第94页/共802页95机械工业出版社

并网运行的水平轴式风力发电机组由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成，其结构如右图所示

（2）并网运行的风力发电机组图3-7并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图第95页/共802页96机械工业出版社

并网运行的大型风力发电机组的基本结构，它由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱、机座、回转体、制动器）等组成，结构如右图。

（3）大型风力发电机组图3-8大型风力发电机组的基本结构第96页/共802页97机械工业出版社3.2.2风力机风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。1、水平轴风力机：

a.荷兰式

b.农庄式

c.自行车式

d.桨叶式

图3-9水平轴风力机第97页/共802页98机械工业出版社2、垂直轴风力机：a.萨窝纽斯式b.达里厄式c.旋翼式图-10垂直轴风力机第98页/共802页99机械工业出版社水平轴垂直轴第99页/共802页100机械工业出版社3.2.3风力机的气动原理

风力发电机组中的风轮之所以能将风能转化为机械能，原因是因为风力机具有特殊的翼型。图示为现代风力机叶片的翼型及翼型受力分析图。

图3-11风力机的叶片翼型及受力第100页/共802页101机械工业出版社

现分析风轮不动时受到风吹的情况：当风以速度矢量ν吹向叶片时，在翼型的上表面，风速减小，形成低压区，翼型的下表面，风速增大，形成高压区，上下表面间形成压差，产生垂直于翼弦的力F，力F可以分解为与相对风速方向平行的阻力FD和垂直于风向的升力FL，升力使风力机旋转，实现能量的转换。

第101页/共802页102机械工业出版社风力机的输出功率当风吹向风力机的叶片时，风力机的主要作用是将风能转化为机械能，风力机的机械输出功率可用式子表示为：第102页/共802页103机械工业出版社

对应于最大的风力机利用系CPm有一个叶尖速比λm，因风速经常变化，为实现风能的最大捕获，风力机应变速运行，以维持叶尖速比λm不变。在桨距角一定时，CP与叶尖速比λ的关系如下图所示。

图3-13风力机的利用系数与叶尖速比的关系第103页/共802页104机械工业出版社3.2.4风力发电机

在由机械能转换为电能的过程中，发电机及其控制器是整个系统的核心。独立运行的风力发电机组中所用的发电机主要有直流发电机、永磁式交流发电机、硅整流自励式交流发电机及电容式自励异步发电机。并网运行的风力发电机机组中使用的发电机主要有同步发电机、异步发电机、双馈发电机、低速交流发电机、无刷双馈发电机、交流整流子发电机、高压同步发电机及开关磁阻发电机等。第104页/共802页105机械工业出版社1、独立运行风力发电机组中的发电机

独立运行的风力发电机一般容量较小，与蓄电池和功率变换器配合实现直流电和交流电的持续供给。独立运行的交流风力发电系统结构如下图所示。

图3-14独立运行的交流风力发电机系统结构第105页/共802页106机械工业出版社（1）直流发电机直流发电机从磁场产生（励磁）的角度来分，可分为永磁式直流发电机和电磁式直流发电机，典型结构如图示。直流发电机可直接将电能送给蓄电池蓄能，可省去整流器，随着永磁材料的发展及直流发电机的无刷化，永磁直流发电机的功率不断做大，性能大大提高，是一种很有发展前途的发电机。

图3-15电磁式直流发电机结构第106页/共802页107机械工业出版社（2）永磁式交流同步发电机永磁式交流同步发电机的转子上没有励磁绕组，因此无励磁绕组的铜损耗，发电机的效率高；转子上无集电环，发电机运行更可靠；采用钕铁硼永磁材料制造的发电机体积小，重量轻，制造工艺简便，因此广泛应用于小型及微型风力发电机中。图3-17凸极式永磁发电机结构示意图

1—定子齿2—定子轭3—永磁体转子4—转子轴5—气隙6—定子绕组第107页/共802页108机械工业出版社（3）硅整流自励式交流同步发电机

如下图，硅整流自励式交流同步发电机电路原理图。硅整流自励式交流同步发电机一般带有励磁调节器，通过自动调节励磁电流的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响，延长蓄电池的使用寿命，提高供电质量。图3-18硅整流自励式交流同步发电机电路原理图第108页/共802页109机械工业出版社（4）电容自励式异步发电机

电容自励式异步发电机是在异步发电机定子绕组的输出端接上电容，以产生超前于电压的容性电流建立磁场，从而建立电压。其电路示意图如下图所示。

图3-19电容自励式异步发电机电路原理第109页/共802页110机械工业出版社并网运行的风力发电机组中所用的发电机（1）异步发电机风力异步发电机并入电网运行时，只要发电机转速接近同步转速就可以并网，对机组的调速要求不高，不需要同步设备和整步操作。异步发电机的输出功率与转速近似成线性关系，可通过转差率来调整负载。（2）同步发电机当发电机的转速一定时，同步发电机的频率稳定，电能质量高；同步发电机运行时可通过调节励磁电流来调节功率因数，既能输出有功功率，也可提供无功功率，可使功率因数为1，因此被电力系统广泛接受。

第110页/共802页111机械工业出版社第111页/共802页112机械工业出版社（3）双馈异步发电机双馈异步发电机是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变频器有交－交变频器、交－直－交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三种，系统结构如下图所示。图3-25双馈异步发电机的系统结构第112页/共802页113机械工业出版社第113页/共802页114机械工业出版社

双馈异步发电机工作原理：异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频率关系可表示为：

式中

f1——定子电流的频率（Hz），f1=pn1/60，n1

为同步转速；

p——发电机的极对数；

n——转子的转速（r/min）；

f2——转子电流的频率（Hz），因f2=sf1，故f2又称为转差频率。第114页/共802页115机械工业出版社根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以有三种运行状态：1）亚同步运行状态。此时n<n1，转差率s>0，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速同方向，功率流向如图所示。第115页/共802页116机械工业出版社2）超同步运行状态。此时n>n1，转差率s<0，转子中的电流相序发生了改变，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方向，功率流向如图所示。3）同步运行状态。此时n=n1，f2=0，转子中的电流为直流，与同步发电机相同。

第116页/共802页117机械工业出版社

双馈异步发电机的转子通过双向变频器与电网连接，可实现功率的双向流动，功率变换器的容量小，成本低；既可以亚同步运行，也可以超同步运行，因此调速范围宽；可跟踪最佳叶尖速，实现最大风能捕获；可对有功功率和无功功率进行控制，提高功率因数；能吸收阵风能量，减小转矩脉动和输出功率的波动，因此电能质量高，是目前很有发展潜力的变速恒频发电机。第117页/共802页118机械工业出版社（4）无刷双馈异步发电机

无刷双馈异步发电机(BrushlessDoubly－FedMachine，简称BDFM)的基本原理与双馈异步发电机相同，不同之外是取消了电刷和集电环，系统运行的可靠性增大，但系统体积也相应增大，常用的有级联式和磁场调制型两种类型。图3-27级联式无刷双馈异步发电机

图3-28磁场调制型无刷双馈异步发电机

第118页/共802页119机械工业出版社（5）开关磁阻发电机开关磁阻发电机又称为双凸极式发电机（简称SRG），定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成，定子极数一般比转子的极数多，转子上无绕组，定子凸极上安放有彼此独立的集中绕组，径向独立的两个绕组串联起来构成一相。

图3-29三相（6/4极）开关磁阻发电机结构

第119页/共802页120机械工业出版社

开关磁阻发电机用作为风力发电机时，其系统一般由风力机、开关磁阻发电机及其功率变换器、控制器、蓄电池、逆变器、负载以及辅助电源等组成，其系统构成如图所示。

开关磁阻发电机的结构简单，控制灵活，效率高而且转矩密度大，在风力发电系统中可用于直接驱动、变速运行，有一定的开发、研究价值。图3-30开关磁阻风力发电机系统的构成第120页/共802页121机械工业出版社3.3风力发电机组的控制策略

与一般工业控制系统不同，风力发电机组的控制系统是一个综合性复杂控制系统。尤其是对于并网运行的风力发电机组，控制系统不仅要监视电网、风况和机组运行数据，对机组进行并网与脱网控制，以确保运行过程的安全性和可靠性，还需要根据风速和风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电质量，而这正是风力发电机组控制中的关键技术，现代风力发电机组一般都采用微机控制，如下图所示。第121页/共802页122机械工业出版社2－A/D转换模块3－风向标4－风速计5－频率计6－电压表7－电流表8－控制机构9－执行机构10－液压调速油缸11－调向电机12－其他传感器

图3-32风力发电机组的微机自控原理框图第122页/共802页123机械工业出版社3.3.1风力发电的特点及控制要求风力发电系统控制的目标主要有四个：保证系统的可靠运行、能量利用率最大、电能质量高、机组寿命延长。风力发电系统常规的控制功能有七个：①在运行的风速范围内，确保系统的稳定运行；②低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大风能；③高风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组的输出功率为额定值；④减小阵风引起的转矩波动峰值，减小风轮的机械应力和输出功率的波动，避免共振；第123页/共802页124机械工业出版社⑤减小功率传动链的暂态响应；⑥控制器简单，控制代价小，对一些输入信号进行限幅；⑦调节机组的功率，确保机组输出电压和频率的稳定。

为实现上述所要求的部分或全部控制功能，风力发电机组的控制技术经历了三个主要发展阶段：从最初的定桨距失速恒频控制到后来的变桨距恒速恒频控制，目前主要发展变桨距或定桨距变速恒频控制。第124页/共802页125机械工业出版社3.3.2并网型风力发电机的功率调节控制

风力机的功率调节方式有定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节三种。1、定桨距失速调节定桨距失速调节一般用于恒速控制，其风力机的结构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。在风速超过额定风速后利用桨叶翼型本身的失速特性，维持发电机组的输出功率在额定值附近。

第125页/共802页126机械工业出版社

定桨距失速控制的优点是失速调节简单可靠，由风速变化引起的输出功率的控制只通过桨叶的被动失速调节实现，没有功率反馈系统和变桨距机构，使控制系统大为简化，整机结构简单、部件小、造价低。其缺点是叶片重量大、成形工艺复杂，桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。2、变桨距风力发电机组的调节与控制变桨距风力机的整个叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片的攻角在一定范围（0～90º）变化，变桨距调节是指通过变桨距机构改变安装在轮毂上的叶片桨距角的大小，使风轮叶片的桨距角随风速的变化而变化，一般用于变速运行的风力发电机，主要目的是改善机组的起动性能和功率特性。第126页/共802页127机械工业出版社

（1）根据其作用可分为三个控制过程：起动时的转速控制，额定转速以下（欠功率状态）的不控制和额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制。

a.起动时的转速控制

变距风轮的桨叶在静止时，桨距角β为90º，当风速达起动风速时，桨叶向0º方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风力机获得最大的起动转矩，实现风力发电机的起动

b.额定转速以下（欠功率状态）的控制

为了改善低风速时的桨叶性能，近几年来，在并网运行的异步发电机上，利用新技术，根据风速的大小调整发电机的转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以优化功率输出。第127页/共802页128机械工业出版社

c.额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制

当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，使桨距角β

向迎风面积减小的方向转动一个角度，β增大，功角α

减小，如图所示。从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使功率输出保持在额定值附近，这时风力机在额定点的附近具有较高的风能利用因数。第128页/共802页129机械工业出版社a）变桨距风力发电机组的功率曲线

b）定桨距风力发电机组的功率曲线

由图可见，在额定风速以下，两者相似，但在额定风速以上，变桨距风力发电机的输出功率维持恒定，而定桨距风力发电机组的输出功率由于风力机的失速当风速增大时而减小。第129页/共802页130机械工业出版社3、变桨距风力发电机组的控制系统

传统的变桨距风力发电机组的控制系统框图如图所示。在起动时实现转速控制，由速度控制器起作用，起动结束后，在额定风速以下，转速环开环，系统不进行控制。当风速达到或超过额定风速时，切换到功率控制，功率控制器根据给定与反馈的功率信号比较后进行功率控制，以维持额定功率不变。

图3-38传统的变桨距风力发电机组的控制系统框图第130页/共802页131机械工业出版社

新型控制系统与传统控制系统的主要区别是采用了两个速度控制器及增加了转子电流的控制。其中一个速度控制器的作用与传统的速度控制器相同，既起动时和同步转速附近的转速控制。

另一个速度控制器的作用是在并网后，和功率控制器一起通过转子电流的控制实现电机转差即转速的控制。带转子电流控制器的绕线转子异步发电机的系统结构如图所示。图3-39带转子电流控制器的绕线转子异步发电机的系统结构第131页/共802页132机械工业出版社

转子电流控制器安装在绕线转子异步发电机的转子轴上，通过集电环与转子电路相连，转子电路中外接三相电阻，通过一组电力电子器件来调整转子回路电阻，从而调节发电机的转差率，实现调速的目的，其控制系统原理如下图所示。图中的开关S代表机组启动并网前的控制方式，为转速闭环控制；开关R代表机组并网后的控制方式，为功率闭环控制；RCC为异步发电机的转子电流控制器。

第132页/共802页133机械工业出版社图3-40转差可调异步发电机控制原理框图

第133页/共802页134机械工业出版社

变速恒频风力发电机组的调节与控制

1、原理变速恒频是指发电机的转速随风速变化，通过适当的控制得到输出频率恒定的电能。

2、特点

1.可大范围的调节转速，使功率系数保持在最佳值，从而最大限度地吸收风能，系统效率高；

2.能吸收和存贮阵风能量，减少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应力和转矩脉动，延长机组寿命，减少噪声；

3.可以控制有功功率和无功功率，电能质量高。第134页/共802页135机械工业出版社3、调节控制过程

(1)起动时通过调节桨距控制发电机的转速，使发电机转速在同步转速附近，寻找最佳时机并网；

(2)并网后，在额定风速以下，通过调节发电机的电磁制动转矩使发电机转子的转速跟随风速的变化，保持最佳叶尖速比，确保风能的最大捕获，表现为跟踪控制问题；

(3)在额定风速以上，采用发电机转子变速和桨叶节距双重调节，利用风轮转速的变化，存贮或释放部分能量，限制风力机获取能量，提高传动系统的柔性，使风力发电机保持在额定值下发电，保证发电机输出功率的更加平稳。第135页/共802页136机械工业出版社4、变速恒频风力发电机的基本结构和主要类型

(1)笼型异步发电机变速恒频风力发电系统

不足：系统的成本和体积较大，在大容量发电机组中难以实现；需加电容补偿装置，其电压和功率因数的控制较难。

第136页/共802页137机械工业出版社(2)同步发电机变速恒频风力发电系统

特点：变频器容量较大，但其控制比笼型异步发电机简单，可通过转子励磁电流的控制来实现转矩、有功功率和无功功率的控制。第137页/共802页138机械工业出版社(3)双馈异步发电机变速恒频风力发电系统

特点：大大降低了变频器的成本和控制难度；定子直接上网，系统具有很强的抗干扰性和稳定性；通过改变转子电流的相位和幅值来调节有功功率和无功功率。缺点是发电机仍有电刷和集电环，工作可靠性受影响。

图3-45双馈异步发电机变速恒频风力发电系统

第138页/共802页139机械工业出版社(4)无刷双馈异步发电机变速恒频风力发电系统

特点：变频器的容量较小；除实现变速恒频控制外，还可以实现有功功率和无功功率的灵活控制，以补偿电网的功率因数；发电机上无电刷和集电环，系统运行的可靠性增大。但发电机结构和控制器较复杂图3-46无刷双馈异步发电机变速恒频风力发电系统第139页/共802页140机械工业出版社5、变速恒频风力发电系统的控制策略变速恒频风力发电系统的基本控制策略一般确定为：①低于额定风速时，跟踪最大风能利用系数，以获得最大能量；②高于额定风速时，跟踪最大功率，并保持输出功率稳定。第140页/共802页141机械工业出版社(1)转速控制策略一般通过控制发电机的电磁转矩实现转速的控制，图为最佳转矩－转速曲线。第141页/共802页142机械工业出版社

为实现对最佳转矩—转速曲线的跟踪，一般有间接速度控制和直接速度控制两种方法，分别如下图所示。图3-48a)间接速度控制策略

第142页/共802页143机械工业出版社图3-48b)直接速度控制策略

第143页/共802页144机械工业出版社(2)功率控制策略一般采用两种方法：①控制发电机的电磁转矩来改变发电机的转速，从而改变风轮的叶尖速比，维持功率不变；②改变桨叶节距角来改变空气动力转矩；或将两种方法结合起来，以改善性能。

第144页/共802页145机械工业出版社图3-49功率控制系统总框图

第145页/共802页146机械工业出版社图3-50改变桨叶节距角的控制系统图

第146页/共802页147机械工业出版社6、双馈异步发电机变速恒频风力发电系统的控制实现变速恒频的方法很多，其中双馈异步发电机的方案最具优势。双馈异步发电机系统中的变频器采用双PWM变频器，发电机根据风力机转速的变化调节转子励磁电流的频率，实现恒频输出；再通过矢量变换控制实现发电机的有功和无功功率的独立调节，进而控制发电机组的转速实现最佳风能的捕获。采用矢量控制技术的双馈异步发电机变速恒频风力发电系统的结构图如图所示，图中DFIG为双馈异步发电机的简称。

第147页/共802页148机械工业出版社图3-51采用矢量控制技术的双馈异步发电机变速恒频风力发电系统的结构

第148页/共802页149机械工业出版社图3-52由IGBT电力电子器件组成的双PWM变频器的主电路第149页/共802页150机械工业出版社7、风力发电系统的智能控制

(1)模糊控制模糊控制可将专家的经验和知识表示为语言规划用于控制器的设计，不需要被控对象精确的数学模型，能克服非线性因素的影响，对被控对象的参数具有较强的鲁棒性，非常适用于风力发电系统的控制。对于变速恒频控制的风力发电系统，可针对机组的不同状态设计相应的模糊控制器，以达到最大风能捕获和功率稳定的控制，图为模糊逻辑控制器框图。

第150页/共802页151机械工业出版社图3-57模糊逻辑控制器框图R—给定值E—偏差U—控制器Y—被控制量第151页/共802页152机械工业出版社(2)模型参考自适应控制针对风力发电系统的复杂性、不确定性、不稳定性和模型很难建立的特点，采用模型参考自适应控制，通过参考模型的建立和自适应机构进行控制器参数的适时修正来降低不确定性对系统的影响，实现风力发电机组的转速和功率的控制。模型参考自适应控制系统的结构如图所示，

第152页/共802页153机械工业出版社图3-58模型参考自适应控制系统

ωopt为希望转速，ω为发电机的实际转速，ωw为风力机的转速，υ为风速，ω*为参考转速，e为参考转速与发电机实际转速之间的偏差

第153页/共802页154机械工业出版社

除了上述的二种智能控制方法外，还有神经网络控制、滑模变结构控制、H∞控制等新型的智能控制方法在风力发电系统的控制中也有一定的应用研究，随着新技术的发展和人们对风力发电的重视，风力发电的控制技术会得到更大的发展。第154页/共802页155机械工业出版社(3)神经网络控制

人工神经网络具有可任意逼近任何非线性模型的非线性映射能力，利用其学习和自收敛性可设计自适应控制器，可提高系统的控制精度，增强系统对环境的适应能力，因此在风力发电系统中也有相应的应用研究。神经网络控制还可以与模糊控制相结合，设计成模糊神经网络控制器来控制风力发电机组。

除了上述的三种智能控制方法外，还有滑模变结构控制、H∞控制等新型的智能控制方法在风力发电系统的控制中也有一定的应用研究，随着新技术的发展和人们对风力发电的重视，风力发电的控制技术会得到更大的发展。

第155页/共802页156机械工业出版社3.4风力发电机组的并网技术和功率补偿

由于风能是一个不稳定的能源，风力发电本身难以提供稳定的电能输出，因此风力发电必须采用储能装置或与其他发电装置互补运行。10kW以下的小型风力发电机组主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行。

为解决风力发电稳定供电的问题，目前一般采用的方法是：1000kW以上的大型风力发电机组并网运行；

几十kW～几百kW的风力发电机组可以并网运行，或者与其他发电装置互补运行（如风光互补、风力－柴油发电联合运行）；第156页/共802页157机械工业出版社

大中型风力发电机组主要是并网运行，由于发电机并网过程是一个瞬变过程，它受制于并网前的发电状况，影响并网后发电机的运行和电网电能质量，在并网运行方式中主要解决的问题是并网控制和功率调节问题。对并网运行的不同风力发电机组其控制方法和控制重点不同。第157页/共802页158机械工业出版社3.4.1风力同步发电机组的并网运行和功率补偿

同步发电机的转速和频率之间有着严格不变的固定关系，

同步发电机在运行过程中，可通过励磁电流的调节，实现无功功率的补偿，其输出电能频率稳定，电能质量高，因此在发电系统中，同步发电机也是应用最普遍的。第158页/共802页159机械工业出版社1、风力同步发电机组的并网条件和并网方法

风力同步发电机组与电网并联运行的电路如图3－59所示，图中同步发电机的定子绕组通过断路器与电网相连，转子励磁绕组由励磁调节器控制。1）并网条件图3－59同步发电机与电网并联的电路第159页/共802页160机械工业出版社

风力同步发电机组并联到电网时，为防止过大的电流冲击和转矩冲击，风力发电机输出的各相端电压的瞬时值要与电网端对应相电压的瞬时值完全一致。具体有五个条件：①波形相同；②幅值相同；③频率相同；④相序相同；

在并网时，因风力发电机旋转方向不变，只要使发电机的各相绕组输出端与电网各相互相对应，条件④就可以满足；而条件①可由发电机设计、制造和安装保证；因此并网时，主要是其他三条的检测和控制，这其中第③条频率相同是必须满足的条件。

⑤相位相同。第160页/共802页161机械工业出版社2）并网方法满足上述理想并联条件的并网方式称为准同步并网方式，在这种并网方式下，并网瞬间不会产生冲击电流，电网电压不会下降，也不会对定子绕组和其他机械部件造成冲击。(1)自动准同步并网第161页/共802页162机械工业出版社

风力同步发电机组的起动与并网过程如下：偏航系统根据风向传感器测量的风向信号驱动风力机对准风向。当风速达到风力机的起动风速时，桨距控制器调节叶片桨距角使风力机起动。当发电机在风力机的带动下转速接近同步转速时，励磁调节器给发电机输入励磁电流，通过励磁电流的调节使发电机输出的端电压与电网电压相近。在风力发电机的转速几乎达到同步转速、发电机的端电压与电网电压的幅值大致相同和断路器两端的电位差为零或很小时，控制断路器合闸并网。风力同步发电机并网后通过自整步作用牵入同步，使发电机电压频率与电网一致。以上的检测与控制过程一般通过微机实现。第162页/共802页163机械工业出版社(2)自同步并网

同步发电机的转子励磁绕组先通过限流电阻短接，电机中无励磁磁场。用原动机将发电机转子拖到同步转速附近（差值小于5%）时，将发电机并入电网，再立刻给发电机励磁，在定、转子之间的电磁力作用下，发电机自动牵入同步。由于发电机并网时，转子绕组中无励磁电流，因而发电机定子绕组中没有感应电势，不需要对发电机的电压和相角进行调节和校准，控制简单，并且从根本上排除不同步合闸的可能性。这种并网方法的缺点是合闸后有电流冲击和电网电压的短时下降现象。第163页/共802页164机械工业出版社2、功率调节与补偿

1）有功功率的调节

风力同步发电机中，风力机输入的机械能首先克服机械阻力，通过电机内部的电磁作用转化为电磁功率，电磁功率扣除电机绕组的铜损耗和铁损耗后即为输出的电功率，若不计铜损耗和铁损耗，可认为输出功率近似等于电磁功率。功率角δ：转子励磁磁场轴线与定、转子合成磁场轴线之间的夹角功角特性：电磁功率Pem与功率角δ之间的关系，如图3－60所示

同步发电机内部的电磁作用可以看成是转子励磁磁场和定子电流产生的同步旋转磁场之间的相互作用。第164页/共802页165机械工业出版社图3－60同步发电机的功角特性a）凸极机b）隐极机第165页/共802页166机械工业出版社

这时可以增大励磁电流，以增大功率极限，提高静态稳定度，这就是有功功率的调节。失步功率，又称为极限功率：对于隐极机而言，功率角为90°（凸极机功率角小于90°）时，输出功率的最大功率。风力机输入的机械功率↑→

Pem↑→励磁不作调节，δ

↑达到最大功率后，如果风力机输入的机械功率继续↑→δ＞

90°，Pem↓→转速持续上升而失去同步。

如一台运行在额定功率附近的风力发电机，突然的一阵剧风可能导致发电机的功率超过极限功率而使发电机失步，第166页/共802页167机械工业出版社

并网运行的风力同步发电机当功率角变为负值时，电机将运行在电动机状态，此时风力发电机相当于一台大风扇，电机从电网吸收电能。为避免发电机电动运行，当风速降到一临界值以下时，应及时地将发电机与电网脱开。

第167页/共802页168机械工业出版社2）无功功率的补偿（2）同步发电机带感性负载时，由于定子电流建立的磁场对电机中的励磁磁场有去磁作用，发电机的输出电压也会下降。无功功率的补偿：为了维持发电机的端电压稳定和补偿电网的无功功率，需增大同步发电机的转子励磁电流。发电机的输出电压下降的原因：（1）电网所带的负载大部分