風(fēng)力發(fā)電機及其系統(tǒng)

1、2 介紹現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機組中的發(fā)電機及其系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、介紹現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機組中的發(fā)電機及其系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、運行原理和控制方法，說明發(fā)電機對風(fēng)力機和電力系統(tǒng)的運行原理和控制方法，說明發(fā)電機對風(fēng)力機和電力系統(tǒng)的影響。影響。（1）恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)）恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)（2）變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)）變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)4 風(fēng)力機風(fēng)力機（輪轂、槳葉）（輪轂、槳葉），傳動機構(gòu)，傳動機構(gòu)（齒輪箱）（齒輪箱），發(fā)電機，控制器，發(fā)電機，控制器（調(diào)槳、偏航、啟停、并網(wǎng)）（調(diào)槳、偏航、啟停、并網(wǎng)），結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)件（機艙、塔筒、基礎(chǔ)）（機艙、塔筒、基礎(chǔ)）578 槳葉圍繞翼展長度方向的軸槳葉圍繞翼展長度方向的軸

2、線旋轉(zhuǎn)的角度。顯然，槳距角的線旋轉(zhuǎn)的角度。顯然，槳距角的變動對槳葉的升力影響很大。變動對槳葉的升力影響很大。 9 風(fēng)輪的功率風(fēng)輪的功率 風(fēng)能轉(zhuǎn)換率風(fēng)能轉(zhuǎn)換率 葉尖速比葉尖速比VRTSRm),(TSRfCppCAVP321TSR: Tip Speed Rate10槳距角固定，大風(fēng)槳距角固定，大風(fēng)速時，翼型的尾部速時，翼型的尾部氣流紊亂，升力不氣流紊亂，升力不增反降，稱為失速增反降，稱為失速現(xiàn)象。現(xiàn)象。槳距角可調(diào)，大風(fēng)槳距角可調(diào)，大風(fēng)速時，增大槳距角，速時，增大槳距角，可保持風(fēng)力機吸收可保持風(fēng)力機吸收功率恒定，也可完功率恒定，也可完全釋放功率。全釋放功率。變槳距有利于大風(fēng)速下穩(wěn)定風(fēng)力機吸收的功率。

3、變槳距有利于大風(fēng)速下穩(wěn)定風(fēng)力機吸收的功率。11發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速基發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速基本恒定，例如籠型本恒定，例如籠型轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機。轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機。 發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)變可在一定范圍內(nèi)變化。需要變頻器?；?。需要變頻器保證饋入電網(wǎng)的電能證饋入電網(wǎng)的電能頻率恒定。頻率恒定。變速發(fā)電機有利于小風(fēng)速下風(fēng)力機吸收更多的功率。變速發(fā)電機有利于小風(fēng)速下風(fēng)力機吸收更多的功率。12定槳定速定槳定速 vs.變槳變速變槳變速風(fēng)力機輸出功率的比較：風(fēng)力機輸出功率的比較：13兩大核心系統(tǒng)：兩大核心系統(tǒng)：風(fēng)力機系統(tǒng)風(fēng)力機系統(tǒng) 發(fā)電機系統(tǒng)發(fā)電機系統(tǒng)一個靈魂：一個靈魂： 系統(tǒng)控制器系統(tǒng)控制器風(fēng)力機系統(tǒng)：風(fēng)力

4、機系統(tǒng)： 槳葉槳葉 輪轂輪轂 主軸主軸 調(diào)槳機構(gòu)（液壓或電動伺服機構(gòu)）調(diào)槳機構(gòu)（液壓或電動伺服機構(gòu)） 偏航機構(gòu)（電動伺服機構(gòu)）偏航機構(gòu)（電動伺服機構(gòu)） 剎車、制動機構(gòu)剎車、制動機構(gòu) 風(fēng)速傳感器風(fēng)速傳感器發(fā)電機系統(tǒng)：發(fā)電機系統(tǒng)： 發(fā)電機發(fā)電機 勵磁調(diào)節(jié)器（電力電子變換器）勵磁調(diào)節(jié)器（電力電子變換器） 并網(wǎng)開關(guān)并網(wǎng)開關(guān) 軟并網(wǎng)裝置軟并網(wǎng)裝置 無功補償器無功補償器 主變壓器主變壓器 轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速傳感器14風(fēng)電機組對發(fā)電機系統(tǒng)的基本要求：風(fēng)電機組對發(fā)電機系統(tǒng)的基本要求：（1 1）將旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機的機械能高效率地轉(zhuǎn)換為電能將旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機的機械能高效率地轉(zhuǎn)換為電能 轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、效率、電壓、電流、體積、重量轉(zhuǎn)速

5、、轉(zhuǎn)矩、效率、電壓、電流、體積、重量（2 2）輸出的電能質(zhì)量應(yīng)滿足電力系統(tǒng)的并網(wǎng)要求輸出的電能質(zhì)量應(yīng)滿足電力系統(tǒng)的并網(wǎng)要求 頻率、有功、無功、波形畸變率、三相不平衡度、頻率、有功、無功、波形畸變率、三相不平衡度、 并網(wǎng)沖擊、電壓跌落跨越并網(wǎng)沖擊、電壓跌落跨越（3 3）與風(fēng)力機系統(tǒng)匹配，最大限度發(fā)揮風(fēng)力機的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率與風(fēng)力機系統(tǒng)匹配，最大限度發(fā)揮風(fēng)力機的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率 有無齒輪箱（直驅(qū)）、變速（有無齒輪箱（直驅(qū)）、變速（MPPTMPPT）、變槳（恒功）、變槳（恒功）（4 4）安全、可靠運行安全、可靠運行 過壓、過流、過速、過熱等狀態(tài)監(jiān)測與保護過壓、過流、過速、過熱等狀態(tài)監(jiān)測與保護15風(fēng)電機組的分類：

6、風(fēng)電機組的分類：（1 1）按風(fēng)輪槳葉分類按風(fēng)輪槳葉分類 失速型：失速型：高風(fēng)速時，因槳葉形狀或因葉尖處的擾流器高風(fēng)速時，因槳葉形狀或因葉尖處的擾流器 動作，限制風(fēng)力機的輸出轉(zhuǎn)矩與功率；動作，限制風(fēng)力機的輸出轉(zhuǎn)矩與功率； 變槳型：變槳型：高風(fēng)速時，調(diào)整槳距角，限制輸出轉(zhuǎn)矩與功率。高風(fēng)速時，調(diào)整槳距角，限制輸出轉(zhuǎn)矩與功率。（2 2）按風(fēng)輪轉(zhuǎn)速分類按風(fēng)輪轉(zhuǎn)速分類 定速型定速型：風(fēng)輪保持一定轉(zhuǎn)速運行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率較低；：風(fēng)輪保持一定轉(zhuǎn)速運行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率較低； 變速型：變速型： 雙速：雙速：可在兩個設(shè)定轉(zhuǎn)速下運行，改善風(fēng)能轉(zhuǎn)換率；可在兩個設(shè)定轉(zhuǎn)速下運行，改善風(fēng)能轉(zhuǎn)換率； 連續(xù)變速：連續(xù)變速：連續(xù)可調(diào)，可捕

7、捉最大風(fēng)能功率。連續(xù)可調(diào)，可捕捉最大風(fēng)能功率。16風(fēng)電機組的分類：風(fēng)電機組的分類：（3 3）按傳動機構(gòu)分類按傳動機構(gòu)分類 升速型：升速型：用齒輪箱連接低速風(fēng)力機和高速發(fā)電機。用齒輪箱連接低速風(fēng)力機和高速發(fā)電機。 直驅(qū)型：直驅(qū)型：將低速風(fēng)力機和低速發(fā)電機直接連接。將低速風(fēng)力機和低速發(fā)電機直接連接。（4 4）按發(fā)電機分類按發(fā)電機分類 異步型異步型：籠型單速異步發(fā)電機、籠型雙速變極異步：籠型單速異步發(fā)電機、籠型雙速變極異步 發(fā)電機；繞線式異步發(fā)電機。發(fā)電機；繞線式異步發(fā)電機。 同步型：同步型：電勵磁同步發(fā)電機；永磁同步發(fā)電機。電勵磁同步發(fā)電機；永磁同步發(fā)電機。（5 5）按并網(wǎng)方式分類按并網(wǎng)方式分類

8、并網(wǎng)型：并網(wǎng)型：直接或間接并入電網(wǎng)，可省卻儲能環(huán)節(jié)。直接或間接并入電網(wǎng)，可省卻儲能環(huán)節(jié)。 離網(wǎng)型：離網(wǎng)型：需配儲能環(huán)節(jié)，也可與柴發(fā)、光伏并聯(lián)運行。需配儲能環(huán)節(jié)，也可與柴發(fā)、光伏并聯(lián)運行。 17風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的分類：風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的分類：恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng) （1 1）同步發(fā)電機系統(tǒng)）同步發(fā)電機系統(tǒng) （2 2）籠型異步發(fā)電機系統(tǒng)）籠型異步發(fā)電機系統(tǒng) （3 3）繞線轉(zhuǎn)子）繞線轉(zhuǎn)子RCCRCC異步發(fā)電機系統(tǒng)異步發(fā)電機系統(tǒng)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng) （1 1）變速恒頻鼠籠異步發(fā)電機系統(tǒng)（高速）變速恒頻鼠籠異步發(fā)電機系統(tǒng)（高速） （2 2）變速恒頻雙饋異步發(fā)電機

9、系統(tǒng)（高速）變速恒頻雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)（高速） （3 3）變速恒頻電勵磁同步發(fā)電機系統(tǒng)（中、低速）變速恒頻電勵磁同步發(fā)電機系統(tǒng)（中、低速） （4 4）變速恒頻永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)（中、低速）變速恒頻永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)（中、低速） （5 5）變速恒頻橫向磁通發(fā)電機系統(tǒng)（中、低速）變速恒頻橫向磁通發(fā)電機系統(tǒng)（中、低速） 18恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)三要素：三要素：（1）同步發(fā)電機）同步發(fā)電機（2）調(diào)速器）調(diào)速器（3）勵磁調(diào)節(jié)器）勵磁調(diào)節(jié)器19同步風(fēng)力發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)同步風(fēng)力發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)定子鐵心定子鐵心定子繞組定子繞組轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)子磁極20同步風(fēng)力發(fā)電機的基本工作

10、原理同步風(fēng)力發(fā)電機的基本工作原理 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢產(chǎn)生感應(yīng)電動勢（1）風(fēng)力機拖著發(fā)電機的轉(zhuǎn)子以恒定）風(fēng)力機拖著發(fā)電機的轉(zhuǎn)子以恒定 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速n1沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)（2）定子鐵心槽內(nèi)的導(dǎo)體與轉(zhuǎn)子上的）定子鐵心槽內(nèi)的導(dǎo)體與轉(zhuǎn)子上的 主磁極之間發(fā)生相對運動主磁極之間發(fā)生相對運動 （3）導(dǎo)體切割磁力線感應(yīng)出電動勢）導(dǎo)體切割磁力線感應(yīng)出電動勢導(dǎo)體感應(yīng)電動勢的方向可用右手定則判斷！導(dǎo)體感應(yīng)電動勢的方向可用右手定則判斷！160pnfHz交變頻率：交變頻率：p：磁極的極對數(shù)：磁極的極對數(shù)21同步風(fēng)力發(fā)電機的基本工作原理同步風(fēng)力發(fā)電機的基本工作原理 產(chǎn)生電磁制動力產(chǎn)生電磁制動力（1）載流導(dǎo)體在磁場中受

11、到電磁力）載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力（2）繞組電流受力形成電磁轉(zhuǎn)矩）繞組電流受力形成電磁轉(zhuǎn)矩 （3）電磁轉(zhuǎn)矩阻止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，是一種）電磁轉(zhuǎn)矩阻止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，是一種 制動轉(zhuǎn)矩，與風(fēng)力機的拖動轉(zhuǎn)矩制動轉(zhuǎn)矩，與風(fēng)力機的拖動轉(zhuǎn)矩 相平衡。相平衡。電磁制動力的方向可用左手定則判斷！電磁制動力的方向可用左手定則判斷！22同步風(fēng)力發(fā)電機的電動勢方程式同步風(fēng)力發(fā)電機的電動勢方程式UIjddI X0EjqqI XdIqI相量圖（相量圖（忽略忽略R）0jjddqqEUIRI XI X式中，式中， Xd XsXad XqXsXaqXad 、Xaq 每相電樞繞組的直軸每相電樞繞組的直軸 和交軸和交軸電樞反應(yīng)電抗電樞反應(yīng)電

12、抗。Xs 每相電樞繞組的每相電樞繞組的漏電抗漏電抗。Xd 、Xq 每相電樞繞組的直軸每相電樞繞組的直軸 和交軸和交軸同步電抗同步電抗。23空載特性空載特性 E0f ( if )0if (Ff )E0同步風(fēng)力發(fā)電機的空載電壓特性同步風(fēng)力發(fā)電機的空載電壓特性 E0:定子一相感應(yīng)電動勢的有效值定子一相感應(yīng)電動勢的有效值if:轉(zhuǎn)子勵磁電流轉(zhuǎn)子勵磁電流 空載特性空載特性反映了轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢產(chǎn)反映了轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢產(chǎn)生磁場、并在定子繞組中感應(yīng)電動勢生磁場、并在定子繞組中感應(yīng)電動勢的能力的能力。額定點額定點24同步風(fēng)力發(fā)電機的外特性同步風(fēng)力發(fā)電機的外特性 0IUINUNcos0.8cos1cos()0.8外特

13、性外特性 Uf ( I )外特性反映負(fù)載性質(zhì)不同時，端電外特性反映負(fù)載性質(zhì)不同時，端電壓隨負(fù)載大小變化而變化的情況。壓隨負(fù)載大小變化而變化的情況。 外特性：同步發(fā)電機在外特性：同步發(fā)電機在nnN ，ifconst，cos const的條件下，端電的條件下，端電壓壓U和負(fù)載電流和負(fù)載電流I 的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。 負(fù)載的負(fù)載的 cos 不同，不同，U 隨隨I 變化變化 的趨勢有所不同。的趨勢有所不同。25同步風(fēng)力發(fā)電機的電壓調(diào)整率同步風(fēng)力發(fā)電機的電壓調(diào)整率0IUINE0UNif=ifN ,NcoscosU保持發(fā)電機額定運行時（保持發(fā)電機額定運行時（UN、IN、cos N）的額定勵磁電流）的額定

14、勵磁電流ifN和轉(zhuǎn)速不變，和轉(zhuǎn)速不變，去掉全部負(fù)載后，空載電動勢為去掉全部負(fù)載后，空載電動勢為E0 ，則則電壓調(diào)整率電壓調(diào)整率為為0NN%100%EUUU式中式中E0和和UN同為相值或線值。同為相值或線值。26同步風(fēng)力發(fā)電機的功角特性同步風(fēng)力發(fā)電機的功角特性2011sinsin22MdqdE UUPmmXXX0PM90。180。勵磁電磁功率勵磁電磁功率磁阻電磁功率磁阻電磁功率 隱極同步發(fā)電機，最大電磁功率出現(xiàn)在隱極同步發(fā)電機，最大電磁功率出現(xiàn)在 功角功角 90 處。處。 凸極同步發(fā)電機，最大電磁功率出現(xiàn)在凸極同步發(fā)電機，最大電磁功率出現(xiàn)在 功角功角 90 處。處。27同步風(fēng)力發(fā)電機的并網(wǎng)條件同

15、步風(fēng)力發(fā)電機的并網(wǎng)條件 發(fā)電機輸出的三相交流電壓與電網(wǎng)電壓應(yīng)滿足四同條件，即：發(fā)電機輸出的三相交流電壓與電網(wǎng)電壓應(yīng)滿足四同條件，即： “同相序同相序、同幅值同幅值、同頻率同頻率、同相位同相位”同相序同相序：由正確的旋轉(zhuǎn)方向保證：由正確的旋轉(zhuǎn)方向保證同幅值：同幅值：由勵磁調(diào)節(jié)器自動保證由勵磁調(diào)節(jié)器自動保證同頻率：同頻率：由調(diào)速器保證，槳距調(diào)節(jié)可用作并網(wǎng)調(diào)速器由調(diào)速器保證，槳距調(diào)節(jié)可用作并網(wǎng)調(diào)速器同相位：同相位：由調(diào)速器微調(diào)實現(xiàn)由調(diào)速器微調(diào)實現(xiàn)28同步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的主要問題同步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的主要問題 （1）并網(wǎng)問題：并網(wǎng)問題：并網(wǎng)控制復(fù)雜，對調(diào)速器要求過高，并網(wǎng)過程長，并網(wǎng)控制復(fù)雜，對調(diào)速器要

16、求過高，并網(wǎng)過程長，成功率較低，沖擊電流不易控制，不適合于頻繁脫、成功率較低，沖擊電流不易控制，不適合于頻繁脫、并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機。并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機。（2）運行問題：運行問題：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受電網(wǎng)頻率的鉗制，發(fā)電機呈現(xiàn)剛性機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受電網(wǎng)頻率的鉗制，發(fā)電機呈現(xiàn)剛性機械特性。轉(zhuǎn)子受到的沖擊應(yīng)力大，電磁功率波動械特性。轉(zhuǎn)子受到的沖擊應(yīng)力大，電磁功率波動快，風(fēng)力機的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率偏低?？?，風(fēng)力機的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率偏低。（3）過載問題：過載問題：高風(fēng)速時，對變槳調(diào)節(jié)的動態(tài)響應(yīng)要求高，無法高風(fēng)速時，對變槳調(diào)節(jié)的動態(tài)響應(yīng)要求高，無法利用轉(zhuǎn)子慣量緩沖。留給過速保護的響應(yīng)時間太利用轉(zhuǎn)子慣量緩沖。留給過速保護的響應(yīng)時間太短。短。

17、29恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)三要素：三要素：（1）異步發(fā)電機）異步發(fā)電機（2）調(diào)速器）調(diào)速器（3）無功補償器）無功補償器30籠型異步風(fēng)力發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)籠型異步風(fēng)力發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)31籠型異步風(fēng)力發(fā)電機的工作原理籠型異步風(fēng)力發(fā)電機的工作原理 (1) 向?qū)ΨQ三相繞組中通入對稱三相交流電流，可形成行波磁場；向?qū)ΨQ三相繞組中通入對稱三相交流電流，可形成行波磁場；(2) 如果繞組分布在圓周上，則行波磁場為旋轉(zhuǎn)磁場；如果繞組分布在圓周上，則行波磁場為旋轉(zhuǎn)磁場；(3) 旋轉(zhuǎn)磁場在一個圓周內(nèi)，呈現(xiàn)出的磁極（旋轉(zhuǎn)磁場在一個圓周內(nèi)，呈現(xiàn)出的磁極（N、S極）數(shù)目稱為極極

18、）數(shù)目稱為極數(shù)，用數(shù)，用2p表示。表示。(4) 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向取決于三相電流的相序，轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向取決于三相電流的相序，轉(zhuǎn)速n1取決于電流的取決于電流的頻率頻率 f 和極對數(shù)和極對數(shù)p：160 fnP 同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速32籠型異步風(fēng)力發(fā)電機的工作原理籠型異步風(fēng)力發(fā)電機的工作原理 （1）定子三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，以同步轉(zhuǎn)速）定子三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，以同步轉(zhuǎn)速n1 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)（2）旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢）旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 e和電流和電流i（3）i 在磁場中受力在磁場中受力f，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T （4）若轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速）若轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速nn1, 向向n1的方向旋轉(zhuǎn)，

19、的方向旋轉(zhuǎn)， T為制動轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的差與同步轉(zhuǎn)速的差與同步轉(zhuǎn)速n1的比值，的比值， 稱為稱為轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率，用，用s表示，即表示，即:11nnsnn(1s)n1或：或：33SNn1TnSNn1Tn用轉(zhuǎn)差率用轉(zhuǎn)差率s可以表示異步電機的運行狀態(tài)可以表示異步電機的運行狀態(tài)!nn10s00nn10s101n10ns籠型異步風(fēng)力發(fā)電機的運行狀態(tài)籠型異步風(fēng)力發(fā)電機的運行狀態(tài)34籠型異步風(fēng)力發(fā)電機的等值電路籠型異步風(fēng)力發(fā)電機的等值電路2R2jXjX1R1RmjXm1U1E1I= =2E2I0I21Rss一相等值電路一相等值電路定子漏阻抗、轉(zhuǎn)子漏阻抗（折合）、勵磁阻抗

20、定子漏阻抗、轉(zhuǎn)子漏阻抗（折合）、勵磁阻抗轉(zhuǎn)子可變電阻反映發(fā)電機的負(fù)載狀況轉(zhuǎn)子可變電阻反映發(fā)電機的負(fù)載狀況35籠型異步風(fēng)力發(fā)電機的電磁功率表述籠型異步風(fēng)力發(fā)電機的電磁功率表述R1jX1RmjXm2R2jX21RssPmpCu2pCu1pFeP1PM1U1I0I2I12EE定子輸出功率：定子輸出功率：定、轉(zhuǎn)子銅損耗：定、轉(zhuǎn)子銅損耗：2Cu11 11pm I R2Cu21 22pm IR21 221msPm IRs電磁功率：電磁功率：221222222212coscosMRPm E Im E Im Is 鐵損耗：鐵損耗：111 11cosPm U I2Fe1 0mpm I R36籠型異步風(fēng)力發(fā)電機的

21、等值電路籠型異步風(fēng)力發(fā)電機的等值電路2R2jXjX1R1RmjXm1U1E1I= =2E2I0I21Rss一相等值電路一相等值電路定子漏阻抗、轉(zhuǎn)子漏阻抗（折合）、勵磁阻抗定子漏阻抗、轉(zhuǎn)子漏阻抗（折合）、勵磁阻抗轉(zhuǎn)子可變電阻反映發(fā)電機的負(fù)載狀況轉(zhuǎn)子可變電阻反映發(fā)電機的負(fù)載狀況37R1jX1RmjXm2jX21Rss2I12EE1U1I0IP1pCu1pFepCu2PMPm2/Rspm+ paP22R籠型異步風(fēng)力發(fā)電機的功率流程圖籠型異步風(fēng)力發(fā)電機的功率流程圖38TTmsnTmn101 0發(fā)電機電動機電磁制動Smax221122211122 ()() Rm pUsTRfRXXs電磁轉(zhuǎn)矩：電磁轉(zhuǎn)矩：

22、電動機狀態(tài)：電動機狀態(tài)： 0nn1 ，0s1發(fā)電機狀態(tài)：發(fā)電機狀態(tài)： 0n1n ，s0軟特性軟特性 vs. 硬特性硬特性籠型異步風(fēng)力發(fā)電機的機械特性曲線籠型異步風(fēng)力發(fā)電機的機械特性曲線39籠型異步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的特點籠型異步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的特點 （1）無功補償：無功補償：發(fā)電機勵磁消耗無功功率，皆取自電網(wǎng)。應(yīng)選用較發(fā)電機勵磁消耗無功功率，皆取自電網(wǎng)。應(yīng)選用較高功率因數(shù)發(fā)電機，并在機端并聯(lián)電容；高功率因數(shù)發(fā)電機，并在機端并聯(lián)電容； （由于負(fù)荷經(jīng)常變動，固定電容難以做到完全補償。由于負(fù)荷經(jīng)常變動，固定電容難以做到完全補償?？赡艹霈F(xiàn)過補或欠補現(xiàn)象，造成電網(wǎng)電壓浮動?？煽赡艹霈F(xiàn)過補或欠補現(xiàn)象，造成電網(wǎng)

23、電壓浮動?？煽紤]在變電站加裝可控?zé)o功補償裝置考慮在變電站加裝可控?zé)o功補償裝置SVC）（2）軟并網(wǎng)：軟并網(wǎng)： 并網(wǎng)瞬間與異步電動機起動相似，存在很大的沖并網(wǎng)瞬間與異步電動機起動相似，存在很大的沖擊電流，應(yīng)在接近同步轉(zhuǎn)速時并網(wǎng)，并加裝可控?fù)綦娏?，?yīng)在接近同步轉(zhuǎn)速時并網(wǎng)，并加裝可控硅軟起動限流裝置；硅軟起動限流裝置；40籠型異步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的特點籠型異步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的特點（3）過載能力：過載能力：發(fā)電機的機械特性曲線較硬，允許轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變動發(fā)電機的機械特性曲線較硬，允許轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變動范圍小，導(dǎo)致風(fēng)力機的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率偏低范圍小，導(dǎo)致風(fēng)力機的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率偏低 。風(fēng)速不。風(fēng)速不穩(wěn)時，風(fēng)電機組容易受到?jīng)_擊機械應(yīng)

24、力穩(wěn)時，風(fēng)電機組容易受到?jīng)_擊機械應(yīng)力 ； （軟特性發(fā)電機的轉(zhuǎn)子損耗較大，發(fā)熱嚴(yán)重軟特性發(fā)電機的轉(zhuǎn)子損耗較大，發(fā)熱嚴(yán)重）（4）高效輕載：高效輕載：絕大部分時間處于輕載狀態(tài)，要求發(fā)電機的效率絕大部分時間處于輕載狀態(tài)，要求發(fā)電機的效率曲線平坦，在中低負(fù)載區(qū)效率較高。曲線平坦，在中低負(fù)載區(qū)效率較高?？煽紤]在輕可考慮在輕載區(qū)，將定子繞組由角接改為星接，降低鐵耗。載區(qū)，將定子繞組由角接改為星接，降低鐵耗。41籠型雙速異步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的特點籠型雙速異步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的特點（1）變極雙速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機方案變極雙速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機方案 在同一臺發(fā)電機的定子鐵心中，埋設(shè)兩套不同極對數(shù)的電在同一臺發(fā)電機的定

25、子鐵心中，埋設(shè)兩套不同極對數(shù)的電樞繞組（通常為樞繞組（通常為4/6極）。根據(jù)需要，可在兩套繞組切換，以獲極）。根據(jù)需要，可在兩套繞組切換，以獲得合適的運行轉(zhuǎn)速。高速繞組角接，低速繞組星接，以降低輕得合適的運行轉(zhuǎn)速。高速繞組角接，低速繞組星接，以降低輕載運行時的鐵心磁密和損耗。載運行時的鐵心磁密和損耗。（2）大、小電機方案：大、小電機方案： 采用兩臺不同容量、不同極對數(shù)的單速籠型異步發(fā)電機同采用兩臺不同容量、不同極對數(shù)的單速籠型異步發(fā)電機同軸串聯(lián)。高速發(fā)電機角接，低速發(fā)電機繞組星接。根據(jù)需要，軸串聯(lián)。高速發(fā)電機角接，低速發(fā)電機繞組星接。根據(jù)需要，可在兩套繞組切換。與變極雙速方案相比，小電機的負(fù)荷

26、率較可在兩套繞組切換。與變極雙速方案相比，小電機的負(fù)荷率較高，發(fā)電效率更高、高，發(fā)電效率更高、42RCC ：Rotor Current Control，轉(zhuǎn)子電流控制，轉(zhuǎn)子電流控制 定義：定義： 轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)是指通過電力電子開關(guān)和脈寬調(diào)制（轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)是指通過電力電子開關(guān)和脈寬調(diào)制（PWM）來控制繞線型異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的一項技術(shù)。來控制繞線型異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的一項技術(shù)。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征：（1）采用變槳風(fēng)力機；）采用變槳風(fēng)力機；（2）采用繞線型異步發(fā)電機，但沒有滑環(huán)；）采用繞線型異步發(fā)電機，但沒有滑環(huán)；（3）采用旋轉(zhuǎn)開關(guān)器件斬波控制轉(zhuǎn)子電流，動態(tài)調(diào)整）采用旋轉(zhuǎn)開關(guān)器件斬

27、波控制轉(zhuǎn)子電流，動態(tài)調(diào)整 發(fā)電機的機械特性。發(fā)電機的機械特性。43繞線型轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機繞線型轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用類似于定子的三相交流繞組，一般接成轉(zhuǎn)子采用類似于定子的三相交流繞組，一般接成Y Y接；接；轉(zhuǎn)子三相繞組可在轉(zhuǎn)子內(nèi)部聯(lián)接，也可經(jīng)滑環(huán)轉(zhuǎn)子三相繞組可在轉(zhuǎn)子內(nèi)部聯(lián)接，也可經(jīng)滑環(huán)電刷裝置電刷裝置將轉(zhuǎn)子三相繞組端接線引出；將轉(zhuǎn)子三相繞組端接線引出；轉(zhuǎn)子三相繞組的端接線在轉(zhuǎn)子內(nèi)部短接時，發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)子三相繞組的端接線在轉(zhuǎn)子內(nèi)部短接時，發(fā)電機的機械特性類似于籠型異步發(fā)電機；外接附加電阻時，機械特性特性類似于籠型異步發(fā)電機；外接附加電阻時，機械特性變軟。變軟。44sm2RsRs2T10smn0n

28、1sTmRs0固有機械特性TsRs增增大大sm1RsRs1轉(zhuǎn)子回路串入三相對稱電阻時的人為機械特性轉(zhuǎn)子回路串入三相對稱電阻時的人為機械特性 三相三相繞線型繞線型異步電機的參數(shù)和異步電機的參數(shù)和U1、f1一定，轉(zhuǎn)子每相中串入附加一定，轉(zhuǎn)子每相中串入附加電阻電阻Rs 。 Rs時：時： Tm不變，不變， |smax| ， Tf (s)更傾斜。更傾斜。45轉(zhuǎn)子電流斬波控制電路：轉(zhuǎn)子電流斬波控制電路：原理：原理： 控制附加電阻的接入時間，從而控制轉(zhuǎn)子電流控制附加電阻的接入時間，從而控制轉(zhuǎn)子電流. .46優(yōu)點：優(yōu)點：（1）風(fēng)速變化引起風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩脈動的低頻分量由變槳調(diào)速機構(gòu)調(diào)節(jié)，其）風(fēng)速變化引起風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩脈動的

29、低頻分量由變槳調(diào)速機構(gòu)調(diào)節(jié)，其高頻分量由高頻分量由RCC調(diào)節(jié)，可明顯減輕槳葉應(yīng)力，平滑輸出電功率調(diào)節(jié)，可明顯減輕槳葉應(yīng)力，平滑輸出電功率;（2）利用風(fēng)輪作為慣性儲能元件，吞吐伴隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化形成的動能，）利用風(fēng)輪作為慣性儲能元件，吞吐伴隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化形成的動能，提高風(fēng)能利用率；提高風(fēng)能利用率；（3）電力電子主回路結(jié)構(gòu)簡單，不需要大功率電源。）電力電子主回路結(jié)構(gòu)簡單，不需要大功率電源。缺點：缺點：旋轉(zhuǎn)電力電子開關(guān)電路檢修、更換困難。旋轉(zhuǎn)電力電子開關(guān)電路檢修、更換困難。47變速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)變速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)48四象限背靠背變頻器（全功率容量）四象限背靠背變頻器（全功率容量

30、）49系統(tǒng)特點：系統(tǒng)特點：（1 1）交直交變頻器使發(fā)電機）交直交變頻器使發(fā)電機轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率間的關(guān)聯(lián)解耦轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率間的關(guān)聯(lián)解耦；籠型；籠型異步風(fēng)力發(fā)電機運行于變速變頻發(fā)電狀態(tài)；可利用發(fā)電機的異步風(fēng)力發(fā)電機運行于變速變頻發(fā)電狀態(tài)；可利用發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩控制風(fēng)力機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，跟蹤其最大功率點。發(fā)電電磁轉(zhuǎn)矩控制風(fēng)力機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，跟蹤其最大功率點。發(fā)電機的運行轉(zhuǎn)差率小，發(fā)電機機械特性硬，運行效率高；機的運行轉(zhuǎn)差率小，發(fā)電機機械特性硬，運行效率高；（2 2）發(fā)電機側(cè)變頻器運行于）發(fā)電機側(cè)變頻器運行于升壓整流升壓整流狀態(tài)，機端電壓可調(diào)，輕載狀態(tài)，機端電壓可調(diào)，輕載 運行時發(fā)電機的鐵耗小、效率高；運行時

31、發(fā)電機的鐵耗小、效率高；50系統(tǒng)特點：系統(tǒng)特點：（3 3）電網(wǎng)側(cè)變頻器運行于）電網(wǎng)側(cè)變頻器運行于逆變狀態(tài)逆變狀態(tài)，將發(fā)電機發(fā)出的有功傳送至，將發(fā)電機發(fā)出的有功傳送至電網(wǎng)，并可作為電網(wǎng)，并可作為無功發(fā)生器無功發(fā)生器參與調(diào)節(jié)電網(wǎng)無功；對電網(wǎng)波動參與調(diào)節(jié)電網(wǎng)無功；對電網(wǎng)波動的適應(yīng)性好，可以將電網(wǎng)的波動屏蔽于發(fā)電機之外；的適應(yīng)性好，可以將電網(wǎng)的波動屏蔽于發(fā)電機之外； （4 4）變頻器與發(fā)電機功率容量相等，系統(tǒng)成本高。）變頻器與發(fā)電機功率容量相等，系統(tǒng)成本高。51變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng) 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機 交直交雙向功率變換器交直交雙向功率變換器5

32、2國產(chǎn)國產(chǎn)MW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機53國產(chǎn)國產(chǎn)1.5MW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機交流勵磁變頻器雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機交流勵磁變頻器54繞線型轉(zhuǎn)子三相異步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)繞線型轉(zhuǎn)子三相異步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)55定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子電刷電刷集電環(huán)集電環(huán)附加電阻附加電阻ABCabcl 繞線型繞組的聯(lián)結(jié)方式繞線型繞組的聯(lián)結(jié)方式繞線型轉(zhuǎn)子繞組通常采用繞線型轉(zhuǎn)子繞組通常采用Y聯(lián)結(jié)聯(lián)結(jié)56雙饋異步發(fā)電機：雙饋異步發(fā)電機：（1 1）繞線型轉(zhuǎn)子三相異步發(fā)電機的一種；）繞線型轉(zhuǎn)子三相異步發(fā)電機的一種；（2 2）定子繞組直接接入交流電網(wǎng)；轉(zhuǎn)子繞組端接線由三只滑）定子繞組直接接入交流電網(wǎng)；轉(zhuǎn)子繞組端接線由三只滑環(huán)引出，接至一

33、臺雙向功率變換器；環(huán)引出，接至一臺雙向功率變換器；（3 3）轉(zhuǎn)子繞組通入受控的變頻交流勵磁電流；）轉(zhuǎn)子繞組通入受控的變頻交流勵磁電流；（4 4）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時也可運行于發(fā)電狀態(tài)；）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時也可運行于發(fā)電狀態(tài)；（5 5）定子繞組端口并網(wǎng)后始終發(fā)出電功率；但轉(zhuǎn)子繞組端口）定子繞組端口并網(wǎng)后始終發(fā)出電功率；但轉(zhuǎn)子繞組端口電功率的流向取決于轉(zhuǎn)差率；電功率的流向取決于轉(zhuǎn)差率；57雙饋異步發(fā)電機的雙饋異步發(fā)電機的運行原理運行原理 轉(zhuǎn)子交流勵磁轉(zhuǎn)子交流勵磁（1 1）轉(zhuǎn)子電流的頻率為轉(zhuǎn)差）轉(zhuǎn)子電流的頻率為轉(zhuǎn)差頻率頻率，跟隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化；，跟隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化；（2 2）通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的）通

34、過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的相位相位，控制轉(zhuǎn)子磁場領(lǐng)先于由電網(wǎng)，控制轉(zhuǎn)子磁場領(lǐng)先于由電網(wǎng)電壓決定的定子磁場，從而在轉(zhuǎn)速高于和低于同步轉(zhuǎn)速電壓決定的定子磁場，從而在轉(zhuǎn)速高于和低于同步轉(zhuǎn)速時都能保持發(fā)電狀態(tài)；時都能保持發(fā)電狀態(tài)； （3 3）通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的）通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的幅值幅值，可控制發(fā)電機定子輸出的無，可控制發(fā)電機定子輸出的無功功率；功功率；（4 4）轉(zhuǎn)子繞組參與）轉(zhuǎn)子繞組參與有功和無功功率有功和無功功率變換，為轉(zhuǎn)差功率，容量變換，為轉(zhuǎn)差功率，容量與轉(zhuǎn)差率有關(guān)（約為全功率的與轉(zhuǎn)差率有關(guān)（約為全功率的0.30.3倍，倍，|s|0.3|s|0.3）58雙饋異步發(fā)電機的雙饋異步發(fā)電機的等值電路等值電路S0

35、 時，右邊的轉(zhuǎn)子支路轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€電流源。時，右邊的轉(zhuǎn)子支路轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€電流源。S0 時變頻器變頻器59雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)中的變頻器雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)中的變頻器 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：交直交電壓型變頻器。由兩個共用直流環(huán)節(jié)的背靠背三相交直交電壓型變頻器。由兩個共用直流環(huán)節(jié)的背靠背三相整流整流/逆變器組成?？蓪崿F(xiàn)變頻、變壓和功率雙向流動；逆變器組成?？蓪崿F(xiàn)變頻、變壓和功率雙向流動； 控制方式：控制方式：發(fā)電機側(cè)變頻器采用定子磁場定向矢量控制；電網(wǎng)側(cè)變頻發(fā)電機側(cè)變頻器采用定子磁場定向矢量控制；電網(wǎng)側(cè)變頻器采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制。通過二者之間的協(xié)調(diào)控制，器采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制。通過二者之間的協(xié)

36、調(diào)控制，保持直流母線電壓恒定。可實現(xiàn)發(fā)電機的有功功率和無功保持直流母線電壓恒定?？蓪崿F(xiàn)發(fā)電機的有功功率和無功功率之間的解耦控制；功率之間的解耦控制； 電壓調(diào)制：電壓調(diào)制：空間電壓矢量正弦型脈寬調(diào)制。空間電壓矢量正弦型脈寬調(diào)制。60定子磁場定向矢量控制：定子磁場定向矢量控制：將定、轉(zhuǎn)子電壓、電流和磁鏈各量投影到將定、轉(zhuǎn)子電壓、電流和磁鏈各量投影到由定子磁場確定的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，進行調(diào)節(jié)控制的方法。由定子磁場確定的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，進行調(diào)節(jié)控制的方法。61雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的功率轉(zhuǎn)速關(guān)系雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的功率轉(zhuǎn)速關(guān)系62雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的功率電流關(guān)系雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的功率電流關(guān)系雙饋發(fā)電機

37、負(fù)載電流曲線02004006008001000120002004006008001000120014001600負(fù)載功率(kW)電流(A)定子電流轉(zhuǎn)子電流63雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的功率轉(zhuǎn)子電壓關(guān)系雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的功率轉(zhuǎn)子電壓關(guān)系64雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的功率效率曲線雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的功率效率曲線65系統(tǒng)特點：系統(tǒng)特點：（1 1）連續(xù)變速運行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高；）連續(xù)變速運行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高；（2 2）部分功率變換，變頻器成本相對較低；）部分功率變換，變頻器成本相對較低；（3 3）電能質(zhì)量好（輸出功率平滑，功率因數(shù)高）；）電能質(zhì)量好（輸出功率平滑，功率因數(shù)高）；（4 4）并網(wǎng)簡單，無沖擊電流；）并網(wǎng)

38、簡單，無沖擊電流；（5 5）降低槳距控制的動態(tài)響應(yīng)要求；）降低槳距控制的動態(tài)響應(yīng)要求；（6 6）改善作用于風(fēng)輪槳葉上機械應(yīng)力狀況）改善作用于風(fēng)輪槳葉上機械應(yīng)力狀況 ；（7 7）雙向變頻器結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜；）雙向變頻器結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜；（8 8）電刷與滑環(huán)間存在機械磨損。）電刷與滑環(huán)間存在機械磨損。66變速恒頻電勵磁同步發(fā)電機系統(tǒng)（中、低速）變速恒頻電勵磁同步發(fā)電機系統(tǒng)（中、低速）半直驅(qū)或直驅(qū)半直驅(qū)或直驅(qū)67系統(tǒng)特點：系統(tǒng)特點：（1 1）連續(xù)變速運行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高；）連續(xù)變速運行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高；（2 2）通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流，可保持發(fā)電機的端電壓恒定；）通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流，可保持發(fā)電機的端電壓恒定； （3 3）可采用不控整流和）可采用不控整流和PWMPWM逆變，成本低于全功率變換逆變，成本低于全功率變換 ；（4 4）電能質(zhì)量好，并網(wǎng)簡單，無沖擊電流；）電能質(zhì)量好，并網(wǎng)簡單，無沖擊電流；（5 5）降低槳距控制的動態(tài)響應(yīng)要求，改善槳葉上機械應(yīng)力狀況）降低槳距控制的動態(tài)響應(yīng)要求，改善槳葉上機械應(yīng)力狀況 （6 6）轉(zhuǎn)子可采用無刷旋轉(zhuǎn)勵磁；）轉(zhuǎn)子可采用無刷旋轉(zhuǎn)勵磁；（7