電機(jī)學(xué)chap13_風(fēng)力發(fā)電機(jī)課件

1、 風(fēng)力發(fā)電機(jī)13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)一、風(fēng)力發(fā)電概述風(fēng)力發(fā)電具有清潔、無(wú)污染、運(yùn)行成本低、建設(shè)周期短、控制靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，是發(fā)展新能源和可再生能源的重點(diǎn)領(lǐng)域。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包括風(fēng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、功率變換器和控制器等，發(fā)電機(jī)及其變流器控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)機(jī)械能到風(fēng)能的轉(zhuǎn)換和變換，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件。根據(jù)發(fā)電機(jī)類型，主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可分為直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和非直驅(qū)雙饋發(fā)電系統(tǒng)。普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)一、風(fēng)力發(fā)電概述圖13-1 直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)一、風(fēng)力發(fā)電

2、概述圖13-2 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)二、直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)圖13-3 直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組永磁電機(jī)作為主發(fā)電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)勵(lì)磁損耗、維護(hù)工作少、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)。直驅(qū)式結(jié)構(gòu)中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與風(fēng)力機(jī)直接相連，電機(jī)轉(zhuǎn)速由風(fēng)速?zèng)Q定往往較低。普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)二、直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖13-4 直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定、轉(zhuǎn)子之間為氣隙。電機(jī)定子包括鐵心和繞組，繞組為三相對(duì)稱繞組，各相繞組軸線空間相差120角度。電機(jī)轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子軛

3、和永磁材料。普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)二、直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖13-4 直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由永磁體在氣隙中建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)切割電機(jī)電樞繞組，并在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，對(duì)外輸出交流電。交流電的頻率由電機(jī)轉(zhuǎn)速和極對(duì)數(shù)決定。普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)二、直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)類型圖13-5 徑向磁通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)a）磁極凸出式b）磁極凹入式c）切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)d）混合轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)二、直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)類型圖13-6 軸向磁通永磁風(fēng)力發(fā)電

4、機(jī)圖13-7 橫向磁通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)二、直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性忽略電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)飽和和鐵心損耗的影響。1.相量圖 圖13-8 直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相量圖a）阻感負(fù)載 b）阻容負(fù)載13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)二、直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性2.等效電路 圖13-9 直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的等效電路普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)二、直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性3.電動(dòng)勢(shì)波形 電壓波形畸變率普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)二、直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性4.數(shù)學(xué)模型 普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)

5、電機(jī)二、直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性5.特性 圖13-10 直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的外特性曲線普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)二、直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性5.特性圖13-11 直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特性曲線采用id等于零控制策略控制直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)a）電流曲線 b）電壓曲線 c）功率因數(shù)曲線普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)二、直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)永磁材料1.磁滯回線描述永磁材料磁化過(guò)程特點(diǎn)和磁特性的曲線。磁滯回線的面積取決于最大充磁磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，當(dāng)該磁場(chǎng)強(qiáng)度接近或超過(guò)飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs時(shí)，磁滯回線的面積趨于最大值。磁滯回線在第二象限的部分稱為

6、退磁曲線。退磁曲線上磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。退磁曲線上磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時(shí)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度值稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度矯頑力。圖13-12永磁材料的磁滯回線普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)二、直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)永磁材料2.磁回復(fù)線當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度單方向變化時(shí)，用退磁曲線表示磁通密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。一般情況下，該局部磁滯回線的上下兩條曲線非常接近，可近似用一條直線PR代替，稱該直線為回復(fù)線。圖13-13永磁材料的磁回復(fù)線普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)三、雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)圖13-14 雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)雙饋式異步發(fā)電機(jī)的定子接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子接交流

7、勵(lì)磁變換器，定子、轉(zhuǎn)子都參與饋電，所以被稱之為“雙饋”發(fā)電機(jī)。雙饋式異步發(fā)電機(jī)采用交流勵(lì)磁，改變勵(lì)磁電流的頻率可實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行，改變勵(lì)磁電流的相位可控制轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的空間位置，改變發(fā)電機(jī)輸出電勢(shì)與電網(wǎng)電壓間的相對(duì)位置，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的功率角。普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)三、雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)雙饋式異步發(fā)電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，其定子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)定子相同，包括鐵心和三相電樞繞組。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)相似但略有不同，雙饋式異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上帶有電刷和集電環(huán)，可以連接交流電源，可以輸入電能或輸出電能，勵(lì)磁電源的頻率對(duì)轉(zhuǎn)子的速度有決定作用。圖13-15 雙饋式

8、異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞組的鏈接方式普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)三、雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理雙饋式異步發(fā)電機(jī)同時(shí)具有異步電機(jī)和同步電機(jī)的某些特性。根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的不同，雙饋發(fā)電機(jī)有如下三種運(yùn)行狀態(tài)：1）亞同步運(yùn)行狀態(tài)：此時(shí)n0，頻率為f2的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向相同，勵(lì)磁變換器從電網(wǎng)取電向轉(zhuǎn)子繞組輸入電功率，發(fā)電機(jī)輸出功率為(1-s)Pem, 小于傳送到定子側(cè)的電磁功率。圖13-16 亞同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的功率流向普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)三、雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理2）超同步運(yùn)行狀態(tài)：此時(shí)n ns,轉(zhuǎn)差率s0，頻率為f2的轉(zhuǎn)子電流

9、產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向相反。轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)勵(lì)磁變換器向電網(wǎng)輸出轉(zhuǎn)差功率，即轉(zhuǎn)子輸入電功率為負(fù)值，定轉(zhuǎn)子同時(shí)發(fā)電，轉(zhuǎn)子輸出電能經(jīng)雙向變流器輸入電網(wǎng)，總輸出功率為（1+s的絕對(duì)值）Pem，大于Pem。圖13-17 超同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的功率流向普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)三、雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理3）同步運(yùn)行狀態(tài)：此時(shí)n =ns, f2為零，轉(zhuǎn)子中的電流為直流，電網(wǎng)與轉(zhuǎn)子繞組之間無(wú)功率交換，勵(lì)磁變換器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁，此時(shí)可等效為同步發(fā)電機(jī)。普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)三、雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本方程1.假定條件2.基本方程普通高等教育“

10、十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)三、雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)等效電路圖13-18 雙饋式異步發(fā)電機(jī)的等效電路圖普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)三、雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)相量圖圖13-19 雙饋式異步發(fā)電機(jī)的相量圖a）亞同步運(yùn) b）超同步運(yùn)行普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材13.風(fēng)力發(fā)電機(jī)三、雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行控制圖13-20 雙饋式異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行區(qū)間雙饋式異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可以分為起動(dòng)階段、并網(wǎng)階段和恒功率階段。12段對(duì)應(yīng)切入風(fēng)速，s為切入風(fēng)速，23段對(duì)應(yīng)并網(wǎng)階段的變速運(yùn)行區(qū)域，而34段對(duì)應(yīng)并網(wǎng)階段的恒速運(yùn)行區(qū)域，n為額定速度，45段對(duì)應(yīng)恒功率階段。普通高等教育“十一五