变频器调速技术与应用 项目10 变频器在风力发电机上的应用- 电子教案

××职业技术学院教案课程名称变频器调速技术与应用班级课程章节10.1风力发电10.2风力并网发电机原理课次/周授课方法讲授+识图+对比分析教具PPT、风电场实景图、同步/异步发电机结构图教学内容1.我国风力发电发展历程与产业化现状；2.风力发电特性与智能电网对接要求；3.同步发电机结构、原理与转速计算公式；4.三相异步（双馈）发电机结构、转差、转差率原理。教学目标知识目标：掌握风电行业发展概况，理解同步、异步发电机工作原理，熟记转速、转差率计算公式。能力目标：能区分两类发电机结构差异，根据工况判断发电机类型。重点、难点重点：同步发电机原理、异步发电机转差与转差率；难点：同步转速计算、发电/电动状态下转差的区分。复习提问1.可再生能源主要包含哪些类型？2.发电机基本能量转换形式是什么？作业1.简述风力发电的优缺点以及并网难点。2.写出同步发电机转速公式，并说明磁极对数对风机的作用。3.解释转差、转差率，区分发电机与电动机的转差范围。授课时长2学时课后小结本节课学习风电产业发展与两类核心发电机。我国风电技术已实现自主化并对外出口，风能具有波动性，需依托智能电网与储能配套。同步发电机转速与频率严格同步；绕线转子异步发电机依靠转差工作，也是双馈风机的核心电机，两类电机结构、运行特性是风电设备的理论基础。教案附页注释【知识学习】

一、课堂导入风力发电是主流绿色清洁能源，风能随机性强，对并网控制要求高。风力发电机组核心为发电机，结合变频器可实现变速恒频运行。本节课先讲解行业背景、智能电网要求，再学习同步、异步两大发电机核心原理。二、知识学习10.1.1我国风力发电发展历程1.我国风力发电机起步我国风力发电起步于本世纪初，当时风力发电机制造企业还未完全掌握风机制造和风电场控制的核心技术，风力发电机均为进口设备。风电的规划建设和电力系统的协调还很不够，适应“风电特点”的运行管理制度还没有建立，对风电的认识存在片面性，简单的肯定和简单的否定的倾向并存。在“十二五”时期，我国开发出了“2MW液力耦合”变矩同步风力发电机组，该机组具有工作可靠，效率高、防风沙、耐低温等优点，填补了我国风力发电机空白。随着我国高压变频器制造技术的成熟，出现了变频器控制“全馈”和变频器控制“双馈”发电机组，这是现在最先进的风力发电机。从风力发电机的制造到安装设备的制造都由国内生产，具备了制造风力发电机的成套技术。现在除了满足国内应用之外还向世界其他国家出口。图10-1是风力发电机群。2.风力发电的特点（1）不确定性风力发电机是靠风的推动力进行发电，风力具有不确定性，发出的电能也不确定。一个具体的“发电场”在一天内有一定的发电规律；但具体发电的时段不确定。这给风能的利用带来了困难。（2）风力“发电场”位置互补我国幅员辽阔，各地气候不同，风能出现的时间段不同，如果将各地的风力发电集中起来通盘考虑，风力发电还是“稳定”的发电资源。这就要求国家电网统一调度。10.1.2风力发电产业化1.产业化是必经之路电网在促进风电产业化发展中发挥着重要作用，我国风能资源和电力市场的特点，决定了风电规模化开发必须走“建设大基地、融入大电网”的道路。大电网可以利用不同地区风能的互补性，平滑风电出力波动。电网企业要采取多种措施提高电网对风电的接纳能力，加快跨区跨省电网建设，扩大风电“消纳”范围，提高电网智能化水平，实现风电的友好接入和协调控制，推进抽水蓄能电站、调峰电池储能电站等调峰设施建设，以增强电网的调峰能力。风力发电站也要采取相应的调峰储能设备，将发电的不确定性变为定时定量的进行发电，配合国家电网的总调度。2.智能电网（1）智能电网架构智能电网是一项投资巨大的工程，我国在“十二五”期间投巨资进行电网的“硬件和软件”改造。智能电网的建立首先硬件要达标，输电网络、变配电设备以及控制网络都要满足工程需要与要求。智能电网技术标准体系是一个具备系统性、逻辑性和开放性的层级结构，由“8个专业分支、26个技术领域、92个标准系列、若干具体标准”构成，图10-2是智能电网架构图。图10-2智能电网架构（2）智能电网对入网设备要求①入网设备均为智能控制。因为智能电网是通过通信的方法进行控制，风力发电机必须为智能机，电网才能进行访问控制。②风力发电站要备有智能储能电池组，在风力发电机“离网”时由储能电池组补网。③风力发电站内的智能供电设备均可由国家电网进行调度，在电网需要“调峰”时“移出”风力发电机或“并入”储能电池组。10.2风力并网发电机原理图10-3是发电机组简图，动力部分是“浆叶”和“轮毂”，在风力的作用下浆叶和轮毂转动，通过“低速轴”传递到“行星齿轮增速箱”，增速后通过“液力耦合器”缓冲，传递到“高速轴”，驱动“发电机”发电。为了稳定发电机的转速，在“机头”有桨距角“调速器”，用于稳定发电机的转速。发电机发出的电能通过“塔架”传到地面。图10-3发电机组简图10.2.1同步发电机同步发电机是指发电机的转子转速和发出的交流电的频率同步，二者没有转速差。在工业发电机中没有特殊要求，基本上都是选择同步发电机。同步发电机有定子励磁和转子励磁两种结构，先分析转子励磁同步发电机。1.同步发电机结构（1）定子结构发电机的定子是由铁心和绕组组成。见图10-4所示。图（a）是定子铁心，在硅钢片上冲压出齿槽，在齿槽中安装绕组。硅钢片的作用主要是提高磁路的磁导率，降低磁阻，增加磁感应强度。图（b）是定子，由硅钢片和三相绕组组成，“三相绕组”在空间互差120°机械角，当定子绕组通入三相交流电，在定子表面产生旋转磁场。（a）（b）图10-4定子（a）定子铁心（b）定子绕组（2）转子结构图10-5是发电机转子外形图，图（a）是硅钢片，图（b）为转子结构，由单相绕组组成。绕组的两端由集电环引出，当通上直流电，转子形成N、S磁极。（a）（b）图10-5转子（a）转子硅钢片（b）转子2.发电原理图10-6是三相感应同步发电机示意图。图（a）是结构示意图，定子绕组为三相，每相绕组在空间互差120°机械角。转子是绕线结构，在转子铁心上绕上绕组，通上直流电，铁心产生N、S磁极。当转子旋转，转子磁极扫过定子绕组，在定子绕组中产生感应电流。当转子匀速转动时，定子绕组上得到三相正弦交流电。定子三相感应电流的频率和转子同步，即为绕线转子同步发电机。（a）（b）图10-6定子绕组感应发电（a）发电机结构（b）三相交流电波形3.同步发电机的转速公式同步发电机的转速公式为（10-1）式中，n为转速，单位为r/min；f为电源频率，单位为Hz；p为磁极对数，单位为1,2,3,4···。由式中可见，p和n为倒数关系，当f给定，可以通过p值来协调转速n。例如风力发电机的“风轴”转速很低，可以通过增加p值来和转速匹配。有增速齿轮箱的风力发电机p为2~3，无增速齿轮箱的风力发电机p为6~12或更多。4.定子励磁同步发电机定子励磁就是定子绕组通上直流电，得到N、S磁极，转子为三相绕组，三相绕组在空间互差120°机械角，当转子匀速转动时，转子绕组切割定子磁感应线，在转子绕组中产生三相感应交流电流。三相交流电流的频率和转子转速同步。5.永磁同步发电机永磁同步发电机与永磁同步电动机结构相同，当永磁转子旋转时，在定子绕组中感应出三相电压，感应电压的频率和转子的转动频率同步，故称永磁同步发电机。永磁同步转子因为没有转子电流，也就没有转子的电损耗，其效率高于绕线转子同步发电机。6.同步发电机在风力发电机上的应用同步发电机的输出频率是由转子转速控制，而风力发电机的转轴是连接到浆叶轴，浆叶轴的转速就是发电机的转速，当风电机需要并网时，频率要求非常严格，故桨叶角的控制是风力发电机核心技术之一。因为“风轴”的转速很低，“增速齿轮箱”制造技术、发电机多“磁极对数p”制造技术，都是风力发电机的核心技术。10.2.2三相异步发电机三相异步发电机是指发电机的转子转速和发出的三相交流电的频率存在转速差。异步发电机的转子为绕线式转子，励磁可以是定子励磁、转子励磁、定子和转子共同励磁。1.绕线转子异步感应发电机（1）定子结构定子结构和图10-4相同，也是三相绕组，绕组之间互差120°相位角。当给定子绕组通入三相交流电，在定子表面产生旋转磁场场。（2）转子结构图10-7是转子，图（a）是转子硅钢片铁心，在“外齿槽中”安装转子绕组。图（b）是转子结构图。三相绕组绕制方法和定子相同，也是互差120°机械角。3个尾端按“星形”连接，3个首端通过“集电环”引出。当由“集电环”给转子三相绕组中通入三相交流电，在转子表面产生旋转磁场，旋转磁场的转速与式（10-2）相同。图10-8是绕线转子电动机外形图，转子通过“电刷”引进三相电流。（a）（b）图10-7转子（a）转子硅钢片（b）转子图10-8绕线转子发电机外形图2.发电机的同步转速n1当三相异步发电机的定子绕组接通三相电源，绕组中的三相交变电流在定子表面产生旋转磁场。当定子只有一对磁极，旋转磁场的转速为n1=60f1，当定子具有2对以上磁极，旋转磁场的转速为（10-2）式中，n1为定子旋转磁场的转速，单位r/min；f1为电源的频率，单位Hz。p为磁极对数，发电机的磁极对数和发电机的转速有关，一般中小型风力发电机（单机5MW以下）磁极对数为3~6对。大中型发电机，都会在10对磁极以上。3.转速差△n转速差的定义为△n=n1－n（10-3）式中，n为转子转速，单位r/min；△n为转速差，可用△r/min或△Hz表示。当△n＞0为电动状态；△n＜0为发电状态；△n=0停机状态。越大，产生的感应电流越大，为了防止发电机过载，要控制转轴的转速。因为励磁电流是电网提供的三相交流电，发出的三相交流电自然就和电网同步。因为转子转速和发电频率存在转速差△n，故称异步发电机。4.转差率s取转速差与同步转速之比，称为异步电机的转差率，用s表示，即（10-4）s是分析电动机和发电机起动停机以及发电特性的重要参数。电动机0<s<1、发电机s<0。正常运行的异步发电机转速在很小的转差范围内变动，一般为2%~5%。异步发电机的输出功率与转速差有关，通常在高于同步转速3%~5%时的功率达到最大值，超过这个转差，感应发电机将进入不稳定运行区，设计制造时异步发电机额定转差值越大表明其抗风扰动的能力越强。5.三相异步感应发电机应用三相异步感应发电机又称为双馈发电机，属于专用发电机，广泛应用于风力发电、水力发电和轨道交通等领域。在风力发电中，双馈发电机能够充分利用风能，并通过优化的控制系统实现最大的发电效率；在水力发电中，双馈发电机具有低噪音、高效率和可靠性等优点；在轨道交通中，双馈发电机能够实现高速度和高扭矩的需求。三、课堂互动1.思考：低转速风轴为什么要采用多磁极发电机？2.提问：异步发电机和电动机的转差区别是什么？四、能力培养1.熟练运用同步转速公式计算；2.区分同步、异步发电机结构与运行特点；3.理解风电并网的基本要求。五、课堂总结同步机、异步机是风力发电两大核心电机，转速、转差是关键参数。风能的波动性决定了风机必须搭配调速、变流装置，为后续桨距角控制、变频系统学习打下基础。××职业技术学院教案课程名称变频器调速技术与应用班级课程章节10.2.3桨距角控制同步风力发电机10.2.4风力发电机变频器控制10.3.1双馈风力发电系统部件10.3.2变频器“功率模块”分析课次/周授课方法讲授+结构识图+原理讲解教具PPT、叶片结构图、变桨机构示意图、直驱风机框图教学内容1.桨距角定义与变桨调速原理；2.机械、液压两种变桨机构结构与优缺点；3.风速、风向检测装置原理；4.直驱永磁同步全馈风机结构、工作原理；5.全馈变频器工作特点与适用功率范围。教学目标知识目标：掌握桨距角控制原理，了解两类变桨机构，理解直驱全馈风电系统工作流程。能力目标：能分析变桨动作逻辑，读懂全馈系统拓扑。重点、难点重点：桨距角调速原理、直驱全馈发电流程；难点：不同风速下变桨逻辑、全馈整流逆变过程。复习提问1.异步发电机发电状态的转差特点？2.同步发电机转速由什么决定？作业1.简述桨距角调节如何实现风机稳速。2.对比机械变桨与液压变桨的优缺点。3.说明直驱全馈风机的能量变换过程。授课时长2学时课后小结本节课学习传统变桨控制与直驱全馈系统。桨距角依靠改变叶片迎风面积，适配不同风速，实现恒频并网；机械、液压是主流变桨方式。直驱风机取消齿轮箱，永磁发电机配合全馈变频器完成交-直-交变换，输出稳定电能，适用于大功率机组，风能利用率高。教案附页注释【知识学习】

一、课堂导入传统风力发电机依靠桨距角调节稳定转速，无需复杂变频；随着变频器技术发展，直驱全馈机型逐步普及。本节课讲解变桨控制技术，以及直驱全馈风力发电系统原理。二、知识学习10.2.3桨距角控制同步风力发电机1.风力发电机框图图10-9是风力发电机结构示意图。图10-9风力发电机示意图该发电机是传统的风力并网发电机，同步励磁电流为直流电。图中“风轴”通过齿轮箱增速，连接到发电机的转子上，拖动发电机发电。因为“风轴”的转速随着风力的强弱而发生变化，为防止风力大造成发电机过载，和电网失步等问题，通过控制“风轮”的“桨距角”，来控制发电机的转速，保证发电机工作在额定状态。由图中可见，发电机对“转轴”进行“速度检测”，对风速进行“检测”，检测信号传到“控制系统”，通过“控制系统”对“风轮”实施“变桨”控制。2.“变桨”原理图10-10是桨距角和叶片，图（a）是“桨距角”定义图，以风轮“旋转平面”（和风轮轴垂直）为参考，风叶“截面中心线”和风轮“旋转平面”之间的夹角，定义为“桨距角”，用β表示。β角的调整就是围绕着叶片的轴心线转动（见图b）。（a）（b）图10-10桨距角定义图（a）桨距角定义图（b）叶片实体图由图中可见，调整β角，可以改变叶片迎风面的受力大小。假如β=0，叶片受力最大；当β=90°，叶片的轴心线和风轮轴心线方向相同，叶片受力最小。当风力大时，增加β值，防止发电机过载；当风力弱时，减小β值，增加风力。使发电机保持在额定工作状态。当风速不能满足发电机的额定值，发电机停止工作。当风力达到8级以上，风机关闭，将β角调到90°。由分析可见，通过“桨距角”的调整可以使发电机工作在额定状态，输出稳定的50Hz交流电，可以并入国家电网。。3.桨距角调整（1）桨距角机械调整图10-11是桨距角机械调整结构图。图中，电动机驱动蜗杆，蜗杆驱动涡轮，涡轮安装在“变桨驱动轴”上，“变桨驱动轴”连着“变桨驱动伞齿轮”，变桨驱动伞齿轮为“一拖三”，分别和“桨距角伞齿轮1”、“桨距角伞齿轮2”、“桨距角伞齿轮3”啮合传动。使3个叶片同步转动。因为3个叶片由同一台电动机驱动，结构简单，所占空间小，是传统的控制方法。缺点是控制精度低，大风天气“刹车力”不够。图10-11机械桨距角调整系统（2）桨距角液压控制由液压油缸调整“桨距角”是近几年采用的新技术，因为油缸控制是通过电磁阀控制液压油缸的通断，控制不拖延，定位精度高。液压控制推力大，采用变频器控制油泵供油，当调整结束，变频器可以停机待命，即节能又方便。图10-12是油缸控制示意图，图中油缸推动“曲柄”，“曲柄”安装在叶片轴心的一侧，当曲柄移动，叶片沿着轴心转动。3个风叶采用3组油缸控制，控制转角相同。油缸控制转矩大，叶片避险控制到位。图10-12液压桨距角调整示意图4.桨距角调整控制信号桨距角是根据风速、风向以及发电机的输出功率的大小进行调整。图10-13是风速检测仪现场图，上部是“风速测量仪”；中部是“风向测量仪”。“风向测量仪”是由“尾舵”和“箭头”指向器构成，在“风向测量仪”的下面有标准“指南针定向盘”，据此可以指示出风向的纬度，风力发电机根据指示的纬度“信号”，调整风力发电机的“迎风面”角度，即“偏航角”。图中“风速测量仪”，是3个正面和背面风阻不同的圆盘，当受到风力作用时，风阻大的一面受力大，风阻小的一面受力小，即可在“立轴”上定向转动。转动的速度和风速成正比，将速度信号通过处理器处理，作为“桨距角”的调整信号。10-13风速测量器10.2.4风力发电机变频器控制1.风力发电机变频器全馈控制由控制“桨距角”来完成发电机的“稳定发电”，有一个很大的弊端，就是“风能”不能充分利用。本来风力发电机是靠风力进行发电，如果风能不能充分利用，实在可惜。随着变频器技术的成熟和成本的下降，用变频器控制发电机发电，解决了“风能”的全利用难题。2.直驱“变速恒频”全馈发电机发电机转子采用永磁转子，直接由“风机轴”驱动。当风力变化时，发电机的发电幅值和发电频率都随着变化。不能直接并入电网。通过三相整流电路整流，变为直流电，然后通过逆变电路逆变为三相交流电，逆变时控制三相交流电的幅值和相位角，和三相电网同步。图10-14是永磁同步发电机示意图，图中，永磁同步发电机发出的电能通过整流滤波，由“逆变器”逆变为三相交流电并入电网。由于发电机的功率很大（几MW）逆变器的功率也很大，变频器的成本很高。为了降低成本，人们寻求更加经济的方法。图10-14永磁直驱同步发电机3.变频“双馈”发电机（1）“变速恒频”控制适合小功率发电机风电“变速恒频”控制适合于1MW以下的小功率风力发电机，如果在十几MW发电机上应用，变频器的体积大、成本高。人们就提出了双馈变频器发电机，发电机的三相定子绕组直接连接电网，不再通过变频器；变频器的三相输出电流加在发电机的转子绕组上，作为发电机的励磁电流。由于励磁电流远小于发电电流，变频器的功率容量就小多了。容量是全馈式的1/3~1/4。（2）“双馈”发电原理图10-16是“双馈”发电机框图，“风轴”在转动中，转速是不稳定的，为了解决不稳定的“风轴”转速，能够稳定发电的问题，通过将“风轴”转速和转子旋转磁场的转速动态叠加，满足基准频率（50Hz）要求。当“风轴”的转速出现变化时，变频器的输出频率也随着变化。当“风轴”的转速高于50Hz，变频器输出频率为负值；当“风轴”的转速低于50Hz，变频器输出频率为正值。变频器的“补频”范围为±30%。图10-16“双馈”发电机框图10.3.1双馈风力发电系统部件在双馈发电系统中有一些核心部件，如发电机、电抗器、变压器、变频器等，下面做以简要介绍。1.双馈风力发电系统图10-17是双馈风力发电系统框图。图中，叶轮通过齿轮箱将动力传递到双馈发电机。发电机的定子绕组通过“主断路器”连接到“并网变压器”，即定子绕组发出的电能直接并网。“转子”绕组连接到变频器的机侧输出端，即发电机的转子可以是变频器的负载，接受变频器输出的三相交流电能；又可以进行倒发电，倒发电的电能由变频器的“网侧变流器”逆变为三相交流电回传到电网。因为发电机的定子和转子都可以向电网输出电能，故称为双馈发电机。图10-17发电机双馈控制系统框图2.风力发电“机头控制室”发电系统包括两大部分，发电部分和变电部分，发电部分需要连接动力源，和风轮连接，安装在塔柱上的“机头控制室”中；变电部分安装在地面。风力发电机是将风能以机械能的形式转化为电能。风力发电机上需要机械联系的部件必须安装在“机头控制室”内，没有机械联系的部件就不必安装在“机头控制室”，因为“机头控制室”安装在塔柱上，“机头控制室”如果太重，头重脚轻，会给风力发电机带来不安全隐患。图10-18是“机头控制室”简图，图中升速箱将风轴的转速升高后连接到发电机。机头箱中各种转动部件必需通过润滑油润滑，图中的“液压油泵”就是为润滑部件提供润滑油。图中“偏航角电机”是调整风轮的偏航角的，当风向变化时，偏航角也要随着变化。图10-18“机头室”简图3.双馈绕线转子发电机图10-19是本任务所配发电机，功率1.5MW，重量85T，发电机附件35T，总重120T。由于功率大，发热量也很大。图中发电机为“水冷”，在发电机定子中留出冷却水道，工作中通入循环水将热量带走，循环水进入热交换器，由风扇将热量吹走。图中冷却电机驱动的是循环水泵；冷却风机是为热交换器通风散热。该风力发电机属于小型机，2023年由我国自己建造的世界最大海上风力发电机为16MW。单日发电量达38.41万千瓦时。图10-191.5MW双馈发电机4.并网变压器图10-20是并网变压器。并网变压器的作用为：将逆变器输出的多相绕组电流合并为一个主磁通，将电能传递到二次绕组，二次绕组为升压绕组，将电压升到35kV。图（a）是外形图，变压器为干式，空气冷却。变压器铁心和绕组之间留有通风道，通过通风散热。图（b）是三相绕组，逆变器有6个功率模块，网侧和机侧各3个。网侧的3个功率模块分别连接到并网变压器的A、B、C三相绕组上。发电机的定子绕组发出的三相电流也要连接到并网变压器，分别连接到n4A、n4B、n4C绕组上。并网变压器的一次电压为690V，一次电流为1450A，其中包括发电机定子电流和转子电流，转子电流为580A。（a）（b）图10-20辅助变压器（a）外形图（b）绕组5.机侧、网侧电抗器（1）电抗器原理电抗器就是电感线圈，对“变化的电流”具有“阻碍”作用，表达式为：，当电感突然加上脉冲电压时，电流是从“0”线性上升。在IGBT开关电路上应用时，可以躲过短路电流对IGBT的冲击；在滤波电路上应用时，利用充放电原理，把谐波滤除。图10-21是电抗器外形图和绕组。电抗器常用有两个重要参数，一是电感量L，电感量L的单位为H（亨），1H=1000mH，当电抗器制造完成，H为常数。电感量也是电感的符号，都用L表示。二是电抗XL。电抗又称感抗，感抗的单位是Ω（欧），对变化的电流具有“阻碍作用”；XL是频率的函数，XL=2πfL，即电路中的频率不同，电抗器的感抗不同。由于XL是频率的函数，同一电抗器用在不同工作频率的电路中，效果是不同的。在机侧、网侧电抗器选择时，按PWM调制频率fC计算XL，按额定电流计算绕组的线径。（2）电抗器选择①额定容量。额定容量是指电抗器能承受的电功率。电抗器的额定容量根据负载的总功率的百分比来选择，一般为负载功率的10%~15%。②电感值L。电感值以H或mH为单位。选择电感值时，需要考虑负载的谐波含量的频率，即负载的基波电流和谐波电流之间的关系。③额定电流。额定电流是指电抗器长期工作不过热的电流。在电抗器选型时，需要根据负载的额定电流进行选择。以确保电抗器安全工作。④额定电压。电抗器的额定电压要高于或等于负载的额定电压值。⑤谐振频率。谐振频率是指电抗器的频率响应特性。在选型时需要考虑谐振频率与负载谐波频率之间的关系，以确保电抗器具有良好的滤波效果。电抗器是变频器中的重要部件，电抗器参数选择不合适，会损坏IGBT。为了防止电抗器饱和出现过电流，铁心留有“空气隙”。（a）（b）图10-21电抗器（a）电抗器外形（b）铁心绕组10.3.2变频器“功率模块”分析1.“功率模块”整流与逆变原理图10-22是变频器控制原理图，图中电路分为两大部分，机侧功率模块和网侧功率模块。机侧和网侧功率模块的结构相同，都具有将直流电逆变为正弦交流电、或将正弦交流电整流为直流电的功能。图10-22变频器控制原理图2.机侧功率模块（1）机侧功率模块原理机侧功率模块是我们熟悉的变频器逆变电路，采用6只IGBT开关器件，将直流母线上的直流电逆变为三相正弦交流电。机侧功率模块的任务是按“恒压频比”特性输出三相交流电，三相交流电的频率范围为正相序0~20Hz、负相序为0~10Hz的励磁电流，为发电机的转子提供励磁。根据发电原理，转子的旋转磁场转速高于定子旋转磁场转速△n，定子绕组才能发电。即发电条件为nz+n＞n1+△n（10-4）式中，nz为“风轴”的转速；n为转子旋转磁场的转速；n1为定子旋转磁场的转速；△n为转速差。要想满足该发电条件，机侧功率模块必须采取闭环PID控制。当变频器输出负相序励磁电流时，转子旋转磁场反向，此时转子切割定子旋转磁场，出现倒发电，通过VD1~VD6续流二极管整流，将三相交流电整流为直流电，回传到直流“母线”。（2）机侧信号同步机侧变频器是根据“风轴”的转速高低，进行转速补偿。在风轴的后端安装“速度传感器”，通过“速度传感器”，将“风轴”的转速信号检测出来，作为PID闭环控制的目标信号。3.网侧功率模块（1）整流网侧功率模块在整流时，并非由VD7~VD12“6脉波”整理，而是采用“PWM”脉宽调制整理，保证整流中电网不产生谐波。（2）逆变当发电机的转子出现了回馈电能，网侧功率模块就要把回馈电能逆变为三相交流电，上传到电网。电能在上传时，“交流电抗器”起到非常重要的缓冲作用，没有“交流电抗器”逆变器不能工作。（3）跟踪控制网侧跟踪的目的是相位同步和幅度同步。通过“电压检测”传感器，检测电网电压的幅值；通过“电流传感器”检测电流的相位，跟踪电网的电压幅度和电流的相位。4.小结变频器机侧和网侧逆变功率模块也都是双馈工作，当机侧功率模块输出驱动电流时，网侧功率模块将电网三相电流整流为直流电，供“机侧”逆变；当机侧的发电机转子出现回馈电能，机侧功率模块又进行三相整流，供“网侧”逆变并网。这种工作情况在电动机拖动工作中也存在，变频器在起重机中应用时也是双馈工作：重物提起时机侧输出三相交流电驱动电动机转动，当重物下放时负载拉着电动机倒发电，机侧变为整流工作；网侧变为逆变工作，将回馈电能送回电网。三、课堂互动思考：大风天气为什么要把桨距角调到90°？提问：直驱风机取消齿轮箱有什么利弊？四、能力培养掌握不同工况下的变桨控制逻辑；读懂全馈系统能量转换与电路流程；区分变桨调速与变频调速的应用场景。五、课堂总结桨距角是传统风机核心调速方式，结构简单但风能利用率低；直驱全馈方案依托变频器实现变速恒频，性能更优，适合大功率场景，是风电主流发展方向之一。××职业技术学院教案课程名称变频器调速技术与应用班级课程章节10.3.3双馈发电机控制原理10.4变频器调试与维护课次/周授课方法电路分析+实操讲解+对比总结教具PPT、双馈系统框图、功率模块图、控制柜实物图教学内容1.双馈风力发电整体架构与工作原理；2.机侧、网侧功率模块功能，电抗器作用；3.双馈转速补偿与能量双向流动逻辑；4.变频器通电检查、参数设置、功率曲线调试；5.设备日常维护、三类风电方案对比与行业展望。教学目标知识目标：吃透双馈系统原理、功率模块功能，掌握调试维护要点。能力目标：能看懂双馈拓扑，完成基础参数设置，区分三类风电控制方案。重点、难点重点：双馈发电原理、模块功能、系统调试；难点：转速补偿逻辑、能量双向馈送原理。复习提问1.全馈变频器的功率特点？2.直驱风机的优缺点？作业1.简述双馈发电机“双馈”的含义。2.说明机侧、网侧变流器各自作用。3.对比桨距角、全馈、双馈三种方案的优缺点。授课时长2学时课后小结本节课重点学习双馈风电系统、调试维护与项目总结。双馈机型定子直接并网，转子由变频器励磁，变频器容量仅为整机1/3~1/4，性价比高，是中小功率风机主流。机侧、网侧模块实现整流逆变双向工作。通过通电检查、参数配置、功率曲线优化完成调试。综合对比三类方案，双馈风机综合优势突出，风电未来向大型化、海上化、智能化发展。教案附页注释【知识学习】

一、课堂导入双馈风力发电机是目前应用最广泛的机型，变频器仅负责转子励磁，大幅降低设备成本与体积。本节课讲解双馈系统完整结构、变频原理、调试维护，并对全项目进行总结。二、知识学习10.3.3双馈发电机控制原理1.速度合成原理我们知道，采用“桨距角”调整风轮转速时，当风速高时，通过调整“桨距角”降低“风轴”的转速，防止发电机过载；当风速低于发电机的额定转速时，发电机停止发电。即风能的利用率低。双馈风力发电机解决了风能的利用率问题。图10-23是变频器扩展风能利用率控制图。图（a）是连接原理图，图中变频器的三相输出端连接到发电机的转子集电环；变频器输出的三相交流电的相序为正相序，和“风轴”的转向相同；负向序和“风轴”的转向相反。定子绕组外接三相交流电网，在定子上产生50Hz旋转磁场，称为“基准同步磁场”。该磁场主要用于同步。2.变频器输出三相正相序电流（假设20Hz）见图（b），当变频器输出正相序20Hz电流，转子产生20Hz的旋转磁场，“风轴”转速为30Hz，转子旋转磁场的转速为：20Hz+30Hz=50Hz。此旋转磁场扫过定子绕组，在定子绕组中产生50Hz感应电流，由于感应电流的幅度高于电网电压的幅度，电流流进电网，即为发电过程。此时变频器输出的是发电机的转子励磁电流，该电流是由电网提供，变频器为电网的“负载”。提示：此时“风轴”转速为30Hz，已经低于正常发电的（50Hz）转速，通过变频器20Hz补频，将风能的下限延伸了20Hz。（a）b）（c）（d）图10-23变频器扩展风能利用率分析图a）发电机连接b）变频器输出正相序交流电c）变频器输出直流电d）变频器输出反向序10Hz交流电3.变频器输出0Hz直流电见图（c），当“风轴”的转速上升到额定转速（50Hz），变频器输出0Hz直流电，转子形成N、S磁极，发电机同步发电。变频器输出直流电，为电网的“负载”。4.变频器输出负相序10Hz交流电见图（d），当风速较高，“风轴”的转速达到了60Hz，变频器输出负向序10Hz交流电，旋转磁场的转速为60Hz-10Hz=50Hz，此旋转磁场扫过定子绕组，在定子绕组中产生50Hz感应电流，即为发电过程。由于变频器输出的是负向序10Hz交流电，在转子表面形成负向序10Hz旋转磁场，和定子旋转磁场不同步，转子绕组切割定子旋转磁场产生感应电流，转子倒发电，发出的电能通过网侧逆变为三相交流电回馈到电网。发电机定子和转子双向馈电，故称双馈发电机。变频器的回馈电流为定子发电电流的1/3~1/4左右，即变频器双馈发电其容量只为全馈发电的1/4。即双馈变频器容量小于全馈变频器，成本较低。10.3.4变频器电气控制柜1.变频器选型双馈风力发电机变频器控制系统，我国生产起步比较晚，但发展比较快，现在出现了多家具有大规模生产能力的厂家。本“任务”以国产1.5MW双馈风力发电机为例，变频器型号为HWDF069A1500-NLN-00501，配备1.5MW风力发电机。2.双馈变频器基本参数双馈变频器分为“网侧”和“机侧”两部分，“网侧”和“机侧”又称为“网侧变流器”和“机侧变流器”。双馈变频器基本参数见表10-1。表中“额定电流”是发电机的定子电流；“机侧电流”和“网侧电流”是双馈变频器的电流。表10-1变流器参数表1.电气控制柜组态“电气控制柜”简称“电控柜”，是安装发电机电气部件的，电控柜是通过电缆传输电能和传递控制信号。图10-24是1.5MW变频器双馈控制柜，该控制柜安装在地面，通过电缆和发电机进行连接。该柜分为“并网柜”、“配电柜”和“功率柜”。①“并网柜”。柜中安装的是：主断路器、避雷器、用户690V保护熔断器、用户690V开关、用户配电接线端子排等（变压器体积太大，单独安装在“箱变中”）。②“配电柜”。柜中安装的主要是：网侧回路保护熔断器FU1~FU3、主接触器K1、15VDC、电源板PW110、“软启整流桥”等。配电柜中“控制盒”。是控制柜的控制核心。盒内包括：加热膜:R10；加热膜:R11；“网侧控制”DSP（CPU）板:GU1；网侧检测板:GM1；“机侧控制”DSP（CPU）板:MU1；机侧检测板:MM1；外围接口板:I1；外围接口控制DSP（CPU）板:I1-U1。③“功率柜”。柜中主要为变流器部件。图10-241.5MW变频器双馈控制柜2.功率柜组态图10-24是功率柜立体图，图中①~②为网侧和机侧功率模块。由于工作电流大，每侧有3块功率模块并联工作。柜的下面⑤~⑥是网侧电抗器和机侧电抗器，该电抗器是三个功率模块共用。图10-24功率柜立体图①网侧功率模块A、B、C；②机侧功率模块A、B、C；③二型标准消振功率组件；④消振电阻R14~R16；⑤网侧电抗器；⑥机侧电抗器；⑦机侧滤波回路电容器C2.1~C2.310.4.1变频器通电前检查1.通电前检查项目变流器安装完成后，在上电前需要检查以下内容：①确保在变流器里没有异物遗留；②确保地线、电网、定子和转子功率电缆连接正确且按要求力矩打紧；③确定旋转编码器信号电缆连接正确并选择正确的码盘供电电压；④确保用户配电端子排和主控器交互信号端子排电缆接线正确、牢固；⑤检查防雷板（见图10-25）PL4中X9.1的端子9与10、端子11与12、端子13与14是否可靠连接，如果不用，必须确保端子排X9.1的端子9与10、端子11与12、端子13与14短接。2.初通电检查的必要性（1）强电端子上电前要进行检查，有着科学和实践依据，线路板中存在金属异物，日后极易造成短路故障；功率电缆的接