風(fēng)力發(fā)電機(jī)組培訓(xùn)教材

1、緒論第一講 風(fēng)能資源第二講 電工基礎(chǔ)第三講 風(fēng)力發(fā)電中的輸變電第四講 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)第五講 風(fēng)力發(fā)電中的空氣動(dòng)力學(xué)原理第六講 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理與機(jī)組構(gòu)成第七講 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行與維護(hù)一、鼠籠感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一、鼠籠感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 二、繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)組二、繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)組 三、雙饋異步發(fā)電機(jī)組三、雙饋異步發(fā)電機(jī)組 四、繞線式同步機(jī)的直驅(qū)機(jī)組四、繞線式同步機(jī)的直驅(qū)機(jī)組五、繞線式同步機(jī)齒輪驅(qū)動(dòng)機(jī)組五、繞線式同步機(jī)齒輪驅(qū)動(dòng)機(jī)組六、六、永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)組七、七、半齒輪驅(qū)動(dòng)永磁機(jī)組半齒輪驅(qū)動(dòng)永磁機(jī)組1. 1. 原理原理2. 2. 構(gòu)成構(gòu)成3. 3. 應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍4

2、. 4. 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)風(fēng)力發(fā)電廠 轉(zhuǎn)子類似鼠籠，定子類似同步電機(jī)定子。轉(zhuǎn)子類似鼠籠，定子類似同步電機(jī)定子。 定子通電后，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子鼠籠條中產(chǎn)生感應(yīng)電流；定子通電后，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子鼠籠條中產(chǎn)生感應(yīng)電流； 轉(zhuǎn)子電流與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，從而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)轉(zhuǎn)子電流與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，從而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，這就是電動(dòng)機(jī)原理；如果外力拖動(dòng)轉(zhuǎn)子，當(dāng)轉(zhuǎn)生轉(zhuǎn)矩，這就是電動(dòng)機(jī)原理；如果外力拖動(dòng)轉(zhuǎn)子，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過同步速時(shí)，反電勢(shì)就會(huì)在定子中感生出電流。速超過同步速時(shí)，反電勢(shì)就會(huì)在定子中感生出電流。 是發(fā)電還是電動(dòng)取決于轉(zhuǎn)差率是發(fā)電還是電動(dòng)取決于轉(zhuǎn)差率S, S, 當(dāng)當(dāng)S S為負(fù)值，則為發(fā)為負(fù)值，則為發(fā)電機(jī)，對(duì)風(fēng)

3、電電機(jī)，對(duì)風(fēng)電S S為為-1%-1%至至-2%-2% 轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率S S是同步旋轉(zhuǎn)速度是同步旋轉(zhuǎn)速度NsNs和和實(shí)際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速實(shí)際轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N N間的相對(duì)差，即間的相對(duì)差，即 S=(N S=(Ns s -N)/N -N)/Ns sv 單一鼠籠感應(yīng)機(jī)在單一鼠籠感應(yīng)機(jī)在MWMW級(jí)以下的定速風(fēng)機(jī)中獲得了廣泛的應(yīng)用；級(jí)以下的定速風(fēng)機(jī)中獲得了廣泛的應(yīng)用；v 帶有單一具備雙速繞組的鼠籠感應(yīng)機(jī)帶有單一具備雙速繞組的鼠籠感應(yīng)機(jī)；通過改變繞組改變極對(duì)數(shù)。；通過改變繞組改變極對(duì)數(shù)。例如，高速時(shí)用例如，高速時(shí)用4極，低速時(shí)用極，低速時(shí)用6極；極；v 帶有兩臺(tái)分開的具有不同等級(jí)的鼠籠感應(yīng)機(jī)，應(yīng)用較少帶有兩臺(tái)分開的具有不同

4、等級(jí)的鼠籠感應(yīng)機(jī)，應(yīng)用較少；v 帶有單一鼠籠感應(yīng)機(jī)（帶有單一鼠籠感應(yīng)機(jī)（SCIGSCIG）的風(fēng)機(jī)，其定子通過電力電子變換）的風(fēng)機(jī)，其定子通過電力電子變換器（器（PECPEC）與電網(wǎng)相聯(lián)，可以大范圍的變速。這是后面將介紹的）與電網(wǎng)相聯(lián)，可以大范圍的變速。這是后面將介紹的變速恒頻發(fā)電機(jī)中的一種。變速恒頻發(fā)電機(jī)中的一種。 4.1 4.1 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：v 它有一些很好的機(jī)械和電氣特性，可以在風(fēng)機(jī)中使用，即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差。這個(gè)“轉(zhuǎn)差”提供阻尼動(dòng)作，幫助抑制機(jī)械振蕩；v 不要求與電網(wǎng)同步。構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本低廉，維護(hù)方便。它的成本是相同等級(jí)的同步電機(jī)的十分之一；v 這種發(fā)電機(jī)可以用在變速場(chǎng)合；v 它有一定的超載容

5、量和風(fēng)速變化容量，機(jī)組堅(jiān)實(shí)、可靠；v 鼠籠轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子極數(shù)有自適應(yīng)能力。4.2 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：v 缺少同時(shí)控制有功和無(wú)功的可能性；v 因?yàn)殡娋W(wǎng)的勵(lì)磁電流，這些SCIG也消耗無(wú)功，總的負(fù)荷功率因數(shù)（cos）相對(duì)低。常用電容組或者靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）可以用來(lái)補(bǔ)償無(wú)功；v 對(duì)于一個(gè)大范圍風(fēng)速，風(fēng)機(jī)葉片不是運(yùn)行在最佳運(yùn)行點(diǎn)；v 它不能提供電壓或者頻率控制，它需要有一個(gè)強(qiáng)勁的電網(wǎng)；v SCIG的功率不能很快地進(jìn)行調(diào)整，除非對(duì)于變槳距風(fēng)機(jī)進(jìn)行變槳距操作；v 它沒有故障穿越特性。在故障期間，它們需要被斷開。4.2 4.2 缺點(diǎn)（續(xù)）缺點(diǎn)（續(xù)）v 變化的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)造成大的輸出功率振蕩，致使電壓振蕩，可

6、能造成小的閃變；v 大的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)輪機(jī)械負(fù)荷振蕩以及電能振蕩被轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)矩振蕩，可能致使齒輪箱故障；v 用VSI（變速感應(yīng)機(jī)）技術(shù)，即使它工作在大的變速范圍，它的尺寸也太大了，因而非常昂貴。1. 1. 原理原理2. 2. 構(gòu)成構(gòu)成3. 3. 特點(diǎn)特點(diǎn)4. 4. 優(yōu)點(diǎn)與局限優(yōu)點(diǎn)與局限5. 5. 感應(yīng)機(jī)的無(wú)功補(bǔ)償感應(yīng)機(jī)的無(wú)功補(bǔ)償 WRIG本質(zhì)上是一臺(tái)帶有定子和轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電機(jī)?；镜牟煌c(diǎn)在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中。 WRIG用銅繞組代替了鼠籠結(jié)構(gòu)，有3相星形連接的絕緣銅繞組，纏繞出與定子相同的極數(shù)。 通過滑環(huán)和電刷連接外部可調(diào)電阻器。高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，有效地控制外部電阻，使轉(zhuǎn)差率可控。 通過設(shè)定更大的轉(zhuǎn)子電阻或更大的漏

7、電抗，獲得更大的滑差，適于較大容量的風(fēng)機(jī)。 能在狹窄的變速范圍內(nèi)變速，WRIG是恒速運(yùn)行和變速運(yùn)行之間的折中方法。 可調(diào)電阻通過滑環(huán)可調(diào)電阻通過滑環(huán)串入轉(zhuǎn)子繞組中串入轉(zhuǎn)子繞組中v 保留了保留了SCIGSCIG的優(yōu)點(diǎn)，能能在狹窄范圍內(nèi)變速；的優(yōu)點(diǎn)，能能在狹窄范圍內(nèi)變速；v 轉(zhuǎn)差率直接正比于轉(zhuǎn)子電阻，輸出轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)差率；轉(zhuǎn)差率直接正比于轉(zhuǎn)子電阻，輸出轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)差率；v 由于轉(zhuǎn)差率有較大改變，以致電機(jī)的轉(zhuǎn)速可改變由于轉(zhuǎn)差率有較大改變，以致電機(jī)的轉(zhuǎn)速可改變10%10%以上。以上。Suzlon 2.1MW 4Suzlon 2.1MW 4極極WRIGWRIG風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速甚至可以變化到額定轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速甚至

8、可以變化到額定轉(zhuǎn)速的16.7%16.7%；v 借助于調(diào)轉(zhuǎn)差率的變速運(yùn)行，比調(diào)槳要快；借助于調(diào)轉(zhuǎn)差率的變速運(yùn)行，比調(diào)槳要快；v 將電阻器旁路，轉(zhuǎn)子電氣上看起來(lái)和將電阻器旁路，轉(zhuǎn)子電氣上看起來(lái)和SCIGSCIG相同；相同；轉(zhuǎn)子電氣上看起來(lái)和SCIG相同時(shí)，將電阻器旁路 轉(zhuǎn)子電氣上看起來(lái)和SCIG相同時(shí)，將電阻器旁路 4.1 4.1 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：v 與相同額定輸出功率的與相同額定輸出功率的SCIGSCIG相比，相比，WRIGWRIG在強(qiáng)慣性負(fù)荷和低起動(dòng)電在強(qiáng)慣性負(fù)荷和低起動(dòng)電流下有更好的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，更高的效率和功率因數(shù)。流下有更好的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，更高的效率和功率因數(shù)。v 與與SCIGsSCIGs相比，因?yàn)?/p>

9、增加了轉(zhuǎn)差率，它對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行變得比較靈相比，因?yàn)樵黾恿宿D(zhuǎn)差率，它對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行變得比較靈活。轉(zhuǎn)子動(dòng)力阻尼得到了很大的改進(jìn)。陣風(fēng)時(shí)如果感應(yīng)電機(jī)有高活。轉(zhuǎn)子動(dòng)力阻尼得到了很大的改進(jìn)。陣風(fēng)時(shí)如果感應(yīng)電機(jī)有高的轉(zhuǎn)差率，陣風(fēng)中的部分能量可以轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的加速度，因此葉的轉(zhuǎn)差率，陣風(fēng)中的部分能量可以轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的加速度，因此葉片轉(zhuǎn)矩角不需要瞬間變小。陣風(fēng)不僅能通過機(jī)械慣性緩沖，也能片轉(zhuǎn)矩角不需要瞬間變小。陣風(fēng)不僅能通過機(jī)械慣性緩沖，也能將能量存儲(chǔ)在中間電容器里。將能量存儲(chǔ)在中間電容器里。v 控制更簡(jiǎn)單，因?yàn)椴还苻D(zhuǎn)子的頻率為多少，磁化電流是幾乎恒定控制更簡(jiǎn)單，因?yàn)椴还苻D(zhuǎn)子的頻率為多少，磁化電流是幾乎恒定的的 。v

10、 每提高每提高1%1%的轉(zhuǎn)差率，就會(huì)有的轉(zhuǎn)差率，就會(huì)有1%1%的附加損耗。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率以熱的附加損耗。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率以熱損失的形式丟失。又加重了機(jī)艙的冷卻負(fù)擔(dān)。損失的形式丟失。又加重了機(jī)艙的冷卻負(fù)擔(dān)。v 增加了可調(diào)電阻，增加了滑環(huán)，從而增加了維護(hù)費(fèi)用。增加了可調(diào)電阻，增加了滑環(huán)，從而增加了維護(hù)費(fèi)用。v WRIG WRIG 不像不像SCIGSCIG那樣堅(jiān)固耐用；增加了繞線轉(zhuǎn)子和控制器件，造那樣堅(jiān)固耐用；增加了繞線轉(zhuǎn)子和控制器件，造價(jià)也比價(jià)也比SCIGSCIG高了高了。同時(shí)，增加了維護(hù)成本。同時(shí)，增加了維護(hù)成本。 v 對(duì)有功功率和無(wú)功功率的控制不是很優(yōu)質(zhì)的。對(duì)有功功率和無(wú)功功率的控制不是很優(yōu)質(zhì)的

11、。 v 機(jī)械開關(guān)旁路電容機(jī)械開關(guān)旁路電容v 靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVCsSVCs），例如），例如 可控硅開關(guān)電容器（可控硅開關(guān)電容器（TSCsTSCs） 晶閘管控制電抗器（晶閘管控制電抗器（TCRTCR）v 靜態(tài)補(bǔ)償器（靜態(tài)補(bǔ)償器（STATCOMsSTATCOMs）v 動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償（動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償（DVRDVR）電力電子接口取決于輸入?yún)?shù)的特性電力電子接口取決于輸入?yún)?shù)的特性 1. 原理原理2. 構(gòu)成構(gòu)成3. 特點(diǎn)特點(diǎn)4. PEC在風(fēng)電機(jī)組中的作用在風(fēng)電機(jī)組中的作用5. 優(yōu)點(diǎn)與局限優(yōu)點(diǎn)與局限v 總體上是一個(gè)帶有三相定子線圈的異步發(fā)電機(jī)，定子線圈直接與總體上是一個(gè)帶有三相定子線圈的

12、異步發(fā)電機(jī)，定子線圈直接與電網(wǎng)相連；電網(wǎng)相連；v 并且三相轉(zhuǎn)子線圈通過滑環(huán)和并且三相轉(zhuǎn)子線圈通過滑環(huán)和PECPEC與電網(wǎng)相連，這里的與電網(wǎng)相連，這里的PECPEC僅承擔(dān)僅承擔(dān)額定功率的額定功率的30%30%；v 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路中的能量通過回收、處理和轉(zhuǎn)換，最后通過部分范風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路中的能量通過回收、處理和轉(zhuǎn)換，最后通過部分范圍的背靠背圍的背靠背PECPEC輸送給電網(wǎng)（替代了輸送給電網(wǎng)（替代了WRIGWRIG中的無(wú)源電阻器）；中的無(wú)源電阻器）；v 大風(fēng)時(shí)，槳矩調(diào)節(jié)和大風(fēng)時(shí)，槳矩調(diào)節(jié)和PECPEC控制協(xié)調(diào)進(jìn)行；轉(zhuǎn)子電路的控制協(xié)調(diào)進(jìn)行；轉(zhuǎn)子電路的PECPEC通過給風(fēng)通過給風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路注入頻率可變的電流

13、來(lái)補(bǔ)償風(fēng)機(jī)機(jī)械頻率和電氣頻率機(jī)轉(zhuǎn)子電路注入頻率可變的電流來(lái)補(bǔ)償風(fēng)機(jī)機(jī)械頻率和電氣頻率的差額；的差額；v 在次同步狀態(tài)，在次同步狀態(tài)，PECPEC可以從線路為轉(zhuǎn)速不足的轉(zhuǎn)子可以從線路為轉(zhuǎn)速不足的轉(zhuǎn)子“借來(lái)借來(lái)”能量，能量，并且傳遞給定子，使定子仍然能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供頻率為并且傳遞給定子，使定子仍然能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供頻率為50Hz50Hz的電能；的電能；v 當(dāng)潮流反向時(shí)，電網(wǎng)側(cè)當(dāng)潮流反向時(shí)，電網(wǎng)側(cè)PECPEC起變換器的作用，轉(zhuǎn)子側(cè)起變換器的作用，轉(zhuǎn)子側(cè)PECPEC起逆變器起逆變器的作用。的作用。 N1=60f1/p (1)其中， N1 同步轉(zhuǎn)速 f1 電網(wǎng)頻率 N2=60f2/p (2) 其中， N2 旋

14、轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子本身的旋轉(zhuǎn)速度 f2 在轉(zhuǎn)子上通入電流的頻率令N為電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的機(jī)械旋轉(zhuǎn)速度，則要求： NN2=N1=50Hz (3)雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)差率 S=(N1-N)/N1 (4)則雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子三相繞組內(nèi)通入的電流頻率應(yīng)為 F2=pN2/60=p(N1-N)/60=(pN1/60)(N1-N)/N1)=f1S結(jié)論：結(jié)論：當(dāng)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子以變化的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，只要在轉(zhuǎn)子的三相當(dāng)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子以變化的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，只要在轉(zhuǎn)子的三相繞組中通入轉(zhuǎn)差頻率繞組中通入轉(zhuǎn)差頻率f1S的電流，則在雙饋電機(jī)的定子繞組中就的電流，則在雙饋電機(jī)的定子繞組中就能產(chǎn)生能產(chǎn)生50Hz的恒頻電勢(shì)。的恒頻電勢(shì)。 超同步運(yùn)行超同步

15、運(yùn)行 次同步運(yùn)行次同步運(yùn)行Fig.2. Wind Turbine Electric Control Panel: This 500 kW integrated control panel consists of the electronic controller, the capacitor section and soft starter section. Courtesy: Photo: Joshua EarnestSoft starterCapacitor sectionThyristorCoupling transformerFig.a Thyristor Switched Capac

16、itors: This strategy has a faster response than contactors DFIG機(jī)組的塔底控制柜電容器組晶閘管耦合變壓器開關(guān)電容器的晶閘管：它比接觸器響應(yīng)快軟啟動(dòng)器v 融合了異步發(fā)電機(jī)（如魯棒性好）和同步發(fā)電機(jī)（如可變風(fēng)速運(yùn)融合了異步發(fā)電機(jī)（如魯棒性好）和同步發(fā)電機(jī)（如可變風(fēng)速運(yùn)行）的優(yōu)點(diǎn)行）的優(yōu)點(diǎn) v 最小化風(fēng)機(jī)峰值電壓、控制閃變以及諧波最小化風(fēng)機(jī)峰值電壓、控制閃變以及諧波v 風(fēng)機(jī)的變速范圍可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)的變速范圍可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的 30% 30%左右左右v 控制轉(zhuǎn)子注入電流的頻率可以對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行變速控制，而控制轉(zhuǎn)控制轉(zhuǎn)子注入電流的頻率可

17、以對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行變速控制，而控制轉(zhuǎn)子注入電流的幅值和相位可以對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行控制。子注入電流的幅值和相位可以對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行控制。v 在轉(zhuǎn)子側(cè)引入在轉(zhuǎn)子側(cè)引入crowbarcrowbar電路。當(dāng)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器有被傷害的危電路。當(dāng)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器有被傷害的危險(xiǎn)時(shí)，險(xiǎn)時(shí)，crowbarcrowbar就會(huì)動(dòng)作使轉(zhuǎn)子短路，免受高電壓大電流的傷害。就會(huì)動(dòng)作使轉(zhuǎn)子短路，免受高電壓大電流的傷害。 v 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的可控性更強(qiáng)；風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的可控性更強(qiáng)；v 有功功率和無(wú)功功率可控；有功功率和無(wú)功功率可控；v 改善了電能質(zhì)量和穩(wěn)定性；改善了電能質(zhì)量和穩(wěn)定性；v 減少了傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載和噪音；減少了傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載和噪音

18、；v 可以直接驅(qū)動(dòng)?？梢灾苯域?qū)動(dòng)。5.1 5.1 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)v 由于轉(zhuǎn)子電流可調(diào)，轉(zhuǎn)速可以在有效范圍內(nèi)變化，同時(shí)可以利用由于轉(zhuǎn)子電流可調(diào)，轉(zhuǎn)速可以在有效范圍內(nèi)變化，同時(shí)可以利用足夠的有效能量。足夠的有效能量。v 由于由于PECPEC可以控制轉(zhuǎn)子電壓，所以可以控制轉(zhuǎn)子電壓，所以DFIGDFIG可以吸收和輸出無(wú)功功率。可以吸收和輸出無(wú)功功率。在電壓可能出現(xiàn)波動(dòng)的脆弱電網(wǎng)中，可以控制在電壓可能出現(xiàn)波動(dòng)的脆弱電網(wǎng)中，可以控制DFIGDFIG從電網(wǎng)吸收或從電網(wǎng)吸收或向電網(wǎng)輸出大量的無(wú)功功率。從而使設(shè)備在嚴(yán)重的電壓波動(dòng)時(shí)可向電網(wǎng)輸出大量的無(wú)功功率。從而使設(shè)備在嚴(yán)重的電壓波動(dòng)時(shí)可以繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，有利于電網(wǎng)穩(wěn)定

19、。以繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，有利于電網(wǎng)穩(wěn)定。v 基于基于PWMPWM的的PECPEC也可用來(lái)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。也可用來(lái)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。v 現(xiàn)成的現(xiàn)成的WRIGWRIG可以被用來(lái)改裝成可以被用來(lái)改裝成DFIGDFIG。 5.2 局限局限v 系統(tǒng)中同樣需要齒輪箱，同時(shí)系統(tǒng)中同樣需要齒輪箱，同時(shí)為轉(zhuǎn)子提供能量的滑環(huán)和電刷的機(jī)為轉(zhuǎn)子提供能量的滑環(huán)和電刷的機(jī)械組合，械組合，這通常都是薄弱環(huán)節(jié)，需要認(rèn)真維護(hù)。這通常都是薄弱環(huán)節(jié)，需要認(rèn)真維護(hù)。v 這些大功率的滑環(huán)和電刷，容易被轉(zhuǎn)軸中的雜散電流損傷。除此這些大功率的滑環(huán)和電刷，容易被轉(zhuǎn)軸中的雜散電流損傷。除此之外，雜散電流還會(huì)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上激起電弧，這將引起點(diǎn)蝕，之外，雜散

20、電流還會(huì)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上激起電弧，這將引起點(diǎn)蝕，這部分更換比較麻煩。這部分更換比較麻煩。v 定子側(cè)的電壓暫變引起磁通波動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，如果很大將引定子側(cè)的電壓暫變引起磁通波動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，如果很大將引起轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械應(yīng)力。而且，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)會(huì)通過起轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械應(yīng)力。而且，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)會(huì)通過PECPEC的直流環(huán)節(jié)的直流環(huán)節(jié)引起功率波動(dòng)。引起功率波動(dòng)。v 由于由于PECPEC對(duì)過電流很敏感，所以它很難抵御電壓暫降的擾動(dòng)，若對(duì)過電流很敏感，所以它很難抵御電壓暫降的擾動(dòng)，若不設(shè)定的比額定電壓略高，轉(zhuǎn)子電路中的高電壓和大電流可能會(huì)不設(shè)定的比額定電壓略高，轉(zhuǎn)子電路中的高電壓和大電流可能會(huì)使它損壞。使它損壞。

21、v PECPEC中的電能損耗較大。中的電能損耗較大。1. 1. 原理原理2. 2. 構(gòu)成構(gòu)成3. 3. 特點(diǎn)特點(diǎn)4. 4. 全功率全功率PECPEC的主要功能的主要功能5. 5. 優(yōu)點(diǎn)與局限優(yōu)點(diǎn)與局限v 直驅(qū)風(fēng)機(jī)中，大直徑凸極轉(zhuǎn)子直接連到風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子上，以在同步速直驅(qū)風(fēng)機(jī)中，大直徑凸極轉(zhuǎn)子直接連到風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子上，以在同步速旋轉(zhuǎn)。因?yàn)轱L(fēng)速的變化，風(fēng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及發(fā)電機(jī)機(jī)端的旋轉(zhuǎn)。因?yàn)轱L(fēng)速的變化，風(fēng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及發(fā)電機(jī)機(jī)端的電氣頻率也是變化的。電氣頻率也是變化的。v 因?yàn)殡姎忸l率與電網(wǎng)的頻率不匹配，所以發(fā)電機(jī)需要與電網(wǎng)解耦。因?yàn)殡姎忸l率與電網(wǎng)的頻率不匹配，所以發(fā)電機(jī)需要與電網(wǎng)解耦。因此，要求因

22、此，要求WRSGWRSG的定子通過的定子通過4 4象限工作的象限工作的PECPEC與電網(wǎng)連接。與電網(wǎng)連接。v PECPEC經(jīng)過經(jīng)過AC-DC-ACAC-DC-AC的變換，將電能按額定的電壓和頻率送入電網(wǎng)。的變換，將電能按額定的電壓和頻率送入電網(wǎng)。v WRSGWRSG是他勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，由系統(tǒng)提供直流勵(lì)磁；是他勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，由系統(tǒng)提供直流勵(lì)磁；WRSGWRSG本身有很高的本身有很高的功率因數(shù)，因?yàn)樗粡碾娋W(wǎng)中吸收任何的磁化電動(dòng)勢(shì)功率因數(shù)，因?yàn)樗粡碾娋W(wǎng)中吸收任何的磁化電動(dòng)勢(shì)； v 全功率變流；全功率變流；v 通過發(fā)電機(jī)電流控制功率；通過發(fā)電機(jī)電流控制功率； v 通過槳距角設(shè)定實(shí)現(xiàn)通過槳距角設(shè)定實(shí)現(xiàn)最大

23、功率點(diǎn)追蹤最大功率點(diǎn)追蹤（MPPTMPPT），捕獲最大能量，），捕獲最大能量，在很大的速度范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)提高發(fā)電機(jī)電能產(chǎn)量和可靠性；在很大的速度范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)提高發(fā)電機(jī)電能產(chǎn)量和可靠性；v 同步發(fā)電機(jī)不需要安裝無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)；同步發(fā)電機(jī)不需要安裝無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)；如果電網(wǎng)的功率因數(shù)變低如果電網(wǎng)的功率因數(shù)變低了，不用任何電容器，了，不用任何電容器，PECPEC將會(huì)自動(dòng)向電網(wǎng)反饋無(wú)功以提高功率將會(huì)自動(dòng)向電網(wǎng)反饋無(wú)功以提高功率因數(shù)；因數(shù)；v 直驅(qū)風(fēng)機(jī)可以進(jìn)行功率梯度調(diào)節(jié)，以平抑閃變和電壓波動(dòng)；直驅(qū)風(fēng)機(jī)可以進(jìn)行功率梯度調(diào)節(jié)，以平抑閃變和電壓波動(dòng)；v 提供一定限度內(nèi)的故障穿越能力，在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)仍能保持與提供一

24、定限度內(nèi)的故障穿越能力，在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)仍能保持與電網(wǎng)連接。電網(wǎng)連接。 v 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的能量緩沖功能，用于緩沖由陣風(fēng)所引起的波動(dòng)，并風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的能量緩沖功能，用于緩沖由陣風(fēng)所引起的波動(dòng)，并控制從風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)傳來(lái)的干擾；控制從風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)傳來(lái)的干擾；v 防止電網(wǎng)側(cè)傳來(lái)的干擾到達(dá)防止電網(wǎng)側(cè)傳來(lái)的干擾到達(dá)WRSGWRSG；v 控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，并避免常規(guī)同步機(jī)與電網(wǎng)頻率保持同步殘控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，并避免常規(guī)同步機(jī)與電網(wǎng)頻率保持同步殘留的一些問題；留的一些問題；v 通過使用通過使用PECPEC，可以完全控制無(wú)功功率，可以完全控制無(wú)功功率。 5.1 5.1 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：v 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，取消了齒輪箱和高速軸

25、，不需要油冷和相應(yīng)的監(jiān)測(cè)系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，取消了齒輪箱和高速軸，不需要油冷和相應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，降低了故障率，減少了維護(hù)；統(tǒng)，降低了故障率，減少了維護(hù)；v 可以不需要機(jī)械制動(dòng)，純粹由葉片大角度時(shí)的空氣阻力提供制動(dòng)；可以不需要機(jī)械制動(dòng)，純粹由葉片大角度時(shí)的空氣阻力提供制動(dòng)；v 有很大的氣隙因而有較高的過載能力；有很大的氣隙因而有較高的過載能力；v 全功率全功率PECPEC對(duì)于電網(wǎng)中的電壓暫降有更好的控制和穿越能力；對(duì)于電網(wǎng)中的電壓暫降有更好的控制和穿越能力；v WRSGWRSG能運(yùn)行在感性和容性兩種模式下，這對(duì)于大型風(fēng)機(jī)和脆弱電能運(yùn)行在感性和容性兩種模式下，這對(duì)于大型風(fēng)機(jī)和脆弱電網(wǎng)而言是有利的。網(wǎng)而言是有

26、利的。PECPEC能使得電壓和頻率得到更靈活的控制，從能使得電壓和頻率得到更靈活的控制，從而使有功和無(wú)功能在正常的和較小的干擾中得到完全的控制；而使有功和無(wú)功能在正常的和較小的干擾中得到完全的控制；v 大范圍變速使風(fēng)機(jī)能運(yùn)行在最佳功率系數(shù)大范圍變速使風(fēng)機(jī)能運(yùn)行在最佳功率系數(shù)“Cp”下，因此在給定下，因此在給定的風(fēng)速條件下會(huì)有一個(gè)較高的總體風(fēng)機(jī)發(fā)電效率。的風(fēng)速條件下會(huì)有一個(gè)較高的總體風(fēng)機(jī)發(fā)電效率。5.2 5.2 局限：局限：v WRSGWRSG不及鼠籠電機(jī)耐用，電機(jī)外徑過大，電氣結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，價(jià)格不及鼠籠電機(jī)耐用，電機(jī)外徑過大，電氣結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，價(jià)格也更貴；也更貴；v PECPEC中的中的IGBTI

27、GBT開關(guān)對(duì)過熱，過電流和過電壓非常敏感。在這些情開關(guān)對(duì)過熱，過電流和過電壓非常敏感。在這些情況下，況下，PECPEC可能閉鎖，即停止開關(guān)操作。從而可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)從電可能閉鎖，即停止開關(guān)操作。從而可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)從電網(wǎng)切出；網(wǎng)切出；v 由于定子電路中由于定子電路中PECPEC的存在，該類型的發(fā)電機(jī)對(duì)于系統(tǒng)慣性無(wú)任的存在，該類型的發(fā)電機(jī)對(duì)于系統(tǒng)慣性無(wú)任何幫助，這點(diǎn)不如何幫助，這點(diǎn)不如WRIGWRIG機(jī)組；機(jī)組；v 另外一個(gè)重要問題是在另外一個(gè)重要問題是在PECPEC中會(huì)產(chǎn)生諧波。通過使用中會(huì)產(chǎn)生諧波。通過使用IGBTIGBT的的PWMPWM電電路，這也能減小到可以接受的水平。路，這也能減小到可以接受的

28、水平。1. 1. 原理原理2. 2. 構(gòu)成構(gòu)成3. 3. 特點(diǎn)特點(diǎn)v 為了克服直驅(qū)機(jī)組發(fā)電機(jī)外徑過大、電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)為了克服直驅(qū)機(jī)組發(fā)電機(jī)外徑過大、電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn),恢復(fù)使恢復(fù)使用齒輪箱；用齒輪箱；v 采用采用4極同步機(jī)，齒輪箱尺寸相應(yīng)減?。粯O同步機(jī)，齒輪箱尺寸相應(yīng)減小；v 利用常規(guī)的繞線同步機(jī)，尺寸大為減小，轉(zhuǎn)速大為提高。比如采利用常規(guī)的繞線同步機(jī)，尺寸大為減小，轉(zhuǎn)速大為提高。比如采用用4極同步機(jī)，轉(zhuǎn)數(shù)為極同步機(jī)，轉(zhuǎn)數(shù)為1440rpm;v 電機(jī)輸出與電網(wǎng)解耦，采用全功率變頻與電網(wǎng)相連；電機(jī)輸出與電網(wǎng)解耦，采用全功率變頻與電網(wǎng)相連； 常規(guī)4極WRSG 全功率PEC 高速軸盤式剎車 行星齒

29、輪箱 v 齒輪箱和電機(jī)和諧發(fā)展，齒輪箱和電機(jī)和諧發(fā)展， 使系統(tǒng)變得簡(jiǎn)潔緊湊；使系統(tǒng)變得簡(jiǎn)潔緊湊；v 仍然采用全功率仍然采用全功率PEC，齒輪，齒輪 箱和箱和PEC均需冷卻，比如均需冷卻，比如 水冷；水冷；v 變槳與變槳與PEC協(xié)同動(dòng)作；協(xié)同動(dòng)作；v GamesaGamesa的的“Made”2MWMade”2MW風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī) 在其在其PECPEC中采用了新型中采用了新型IGCTIGCT （代替（代替IGBTIGBT）；）；v 是槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)（變槳馬是槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)（變槳馬 達(dá)）安裝在輪轂外部達(dá)）安裝在輪轂外部 。1. 1. 原理原理2. 2. 機(jī)組構(gòu)成機(jī)組構(gòu)成3. 3. 永磁同步機(jī)的分類永磁同步機(jī)的分

30、類4. 4. 機(jī)組特點(diǎn)機(jī)組特點(diǎn)5. 5. 齒槽效應(yīng)齒槽效應(yīng)6. 6. 優(yōu)點(diǎn)與局限優(yōu)點(diǎn)與局限v 采用同步發(fā)電機(jī)，利用多級(jí)實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速，采用同步發(fā)電機(jī)，利用多級(jí)實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速，與緩慢的風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)速與緩慢的風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)速一致一致 ；v 采用釹鐵硼永磁體，甩掉了勵(lì)磁，省去了銅繞組，提高了效率；采用釹鐵硼永磁體，甩掉了勵(lì)磁，省去了銅繞組，提高了效率；v 永磁體對(duì)溫度敏感，這里使用了細(xì)致的冷卻方案；永磁體對(duì)溫度敏感，這里使用了細(xì)致的冷卻方案；v發(fā)電側(cè)發(fā)電側(cè)電力電子矢量控制電路保證了定子側(cè)有功與無(wú)功的解耦。電力電子矢量控制電路保證了定子側(cè)有功與無(wú)功的解耦。發(fā)電側(cè)逆變器控制轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制發(fā)電功率。讓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)發(fā)電

31、側(cè)逆變器控制轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制發(fā)電功率。讓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)力效率（力效率（CpCp）得到優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)捕獲風(fēng)能的）得到優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)捕獲風(fēng)能的最大功率點(diǎn)跟蹤最大功率點(diǎn)跟蹤； v電網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)側(cè)逆變器控制入網(wǎng)電流，維持直流輸入點(diǎn)的電壓恒定，保持逆變器控制入網(wǎng)電流，維持直流輸入點(diǎn)的電壓恒定，保持發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間潮流一致性，有效控制輸入電網(wǎng)的有功和無(wú)功發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間潮流一致性，有效控制輸入電網(wǎng)的有功和無(wú)功功率。功率。v 電網(wǎng)側(cè)有專門的濾波器減少頻率控制器產(chǎn)生的諧波，以改善電能電網(wǎng)側(cè)有專門的濾波器減少頻率控制器產(chǎn)生的諧波，以改善電能質(zhì)量。質(zhì)量。 3.1 3.1 徑向磁通永磁發(fā)電機(jī)徑向磁通永磁發(fā)電機(jī) 分內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子兩

32、種。分內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子兩種。3.2 3.2 軸向磁通永磁發(fā)電機(jī)軸向磁通永磁發(fā)電機(jī) 分單邊定子和雙邊定子分單邊定子和雙邊定子 兩種。兩種。 軸向磁通，單邊定子 (i) 磁通路徑 (ii) 永磁體附在轉(zhuǎn)子兩邊表面 (iii) 永磁體嵌入轉(zhuǎn)子雙邊定子優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)齒槽力矩、振動(dòng)、噪音都很小，軸距也短。雙邊定子優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)齒槽力矩、振動(dòng)、噪音都很小，軸距也短。v 省略了集電環(huán)和電刷；省略了集電環(huán)和電刷；v 永磁發(fā)電機(jī)正常情況下不需要安裝阻尼繞組；永磁發(fā)電機(jī)正常情況下不需要安裝阻尼繞組；v 永磁體能在氣隙中產(chǎn)生很強(qiáng)的磁通密度，允許氣隙稍大；永磁體能在氣隙中產(chǎn)生很強(qiáng)的磁通密度，允許氣隙稍大；v 永磁體為大范圍可變

33、速的風(fēng)機(jī)提供了高的功率因數(shù)；永磁體為大范圍可變速的風(fēng)機(jī)提供了高的功率因數(shù)； v 葉片槳矩調(diào)節(jié)采用了皮帶輪傳動(dòng)，省去了潤(rùn)滑和密封；葉片槳矩調(diào)節(jié)采用了皮帶輪傳動(dòng)，省去了潤(rùn)滑和密封； v 永磁體電機(jī)軸距短，結(jié)構(gòu)緊湊；永磁體電機(jī)軸距短，結(jié)構(gòu)緊湊；v 永磁體的永磁體的磁感強(qiáng)度不可調(diào)節(jié)磁感強(qiáng)度不可調(diào)節(jié)，當(dāng)加入負(fù)載時(shí)輸出電壓會(huì)降低，所，當(dāng)加入負(fù)載時(shí)輸出電壓會(huì)降低，所以往往需要一個(gè)電壓控制器；以往往需要一個(gè)電壓控制器；v 風(fēng)機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)在于功率輸出是正弦波；風(fēng)機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)在于功率輸出是正弦波；v PMSGPMSG在運(yùn)營(yíng)速度范圍內(nèi)效率都很高，即使在沒滿發(fā)時(shí)功率波動(dòng)和在運(yùn)營(yíng)速度范圍內(nèi)效率都很高，即使在沒滿發(fā)時(shí)功率

34、波動(dòng)和轉(zhuǎn)子噪音都很??；轉(zhuǎn)子噪音都很?。籿 齒槽效應(yīng)是永磁體同步機(jī)的固有特性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予注意。齒槽效應(yīng)是永磁體同步機(jī)的固有特性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予注意。 v 定義：定義：齒槽效應(yīng)是由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置不同引起磁場(chǎng)在空間內(nèi)的疏密變化導(dǎo)致的力矩震蕩。當(dāng)永磁體切割定子磁場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力矩，磁導(dǎo)的波動(dòng)產(chǎn)生的力矩就叫做齒槽效應(yīng)。v 危害：危害：齒槽會(huì)導(dǎo)致整臺(tái)風(fēng)機(jī) 的振動(dòng)，增加傳動(dòng)系統(tǒng)中的 應(yīng)力，甚至在某些轉(zhuǎn)速下提 高了塔架和葉片發(fā)生諧振的 概率。 6.1 6.1 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：v 能重比高。高能量密度帶來(lái)的是體積小重量輕；能重比高。高能量密度帶來(lái)的是體積小重量輕；v 沒了轉(zhuǎn)子銅損，溫度等級(jí)降低了，削減了冷卻裝置，免

35、除了集電沒了轉(zhuǎn)子銅損，溫度等級(jí)降低了，削減了冷卻裝置，免除了集電環(huán)，特別是省去了齒輪箱，發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)得更緊湊，環(huán)，特別是省去了齒輪箱，發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)得更緊湊，降低了成本，降低了成本，減少了維護(hù)；減少了維護(hù)； v 永磁體免除了占一半風(fēng)機(jī)能量損耗永磁體免除了占一半風(fēng)機(jī)能量損耗20%20%到到30%30%的勵(lì)磁損耗，使得未的勵(lì)磁損耗，使得未滿發(fā)狀態(tài)的能效比感應(yīng)電機(jī)和滿發(fā)狀態(tài)的能效比感應(yīng)電機(jī)和WRSGWRSG都高；都高；v 稀土永磁體能夠在極小的體積內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁通，這使多磁極設(shè)稀土永磁體能夠在極小的體積內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁通，這使多磁極設(shè)計(jì)變得可行，更適于直驅(qū)風(fēng)機(jī)的低轉(zhuǎn)速；計(jì)變得可行，更適于直驅(qū)風(fēng)機(jī)的低轉(zhuǎn)速；v

36、 外轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，給出了最大的氣隙直徑和磁體的冷卻空間，使扭矩外轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，給出了最大的氣隙直徑和磁體的冷卻空間，使扭矩更強(qiáng)。更強(qiáng)。6. 2 局限：局限：v 直驅(qū)風(fēng)機(jī)電機(jī)外徑太大，增加了機(jī)械設(shè)計(jì)的難度；直驅(qū)風(fēng)機(jī)電機(jī)外徑太大，增加了機(jī)械設(shè)計(jì)的難度；v 退磁問題尚未經(jīng)時(shí)間檢驗(yàn)；退磁問題尚未經(jīng)時(shí)間檢驗(yàn)；v 永磁體同步機(jī)的齒槽力矩會(huì)導(dǎo)致整臺(tái)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予充永磁體同步機(jī)的齒槽力矩會(huì)導(dǎo)致整臺(tái)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予充分地考慮。分地考慮。1. 1. 原理原理2. 2. 機(jī)組構(gòu)成機(jī)組構(gòu)成3. 3. 機(jī)組特點(diǎn)機(jī)組特點(diǎn)4. 4. 優(yōu)點(diǎn)與局限優(yōu)點(diǎn)與局限 v 永磁發(fā)電機(jī)和中間齒輪是集成在一起的，省去了常規(guī)齒輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)永磁發(fā)電機(jī)和中間齒輪是集成在一起的，省去了常規(guī)齒輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的高速軸。電機(jī)轉(zhuǎn)速是機(jī)的高速軸。電機(jī)轉(zhuǎn)速是150-200rpm150-200rpm；v 葉片旋轉(zhuǎn)帶