風(fēng)力發(fā)電教學(xué)課件之三-風(fēng)電系統(tǒng)中的電機3

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電機劉新正

西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院4/1/202314.4.3異步電機的電勢平衡方程

異步電機定子繞組－－接電源，產(chǎn)生氣隙旋轉(zhuǎn)磁場

變壓器一次繞組－－接電源，產(chǎn)生主磁通異步電機轉(zhuǎn)子繞組－－閉合回路，感應(yīng)電勢和電流變壓器二次側(cè)接負載－－閉合繞組，感應(yīng)電流相異性：

1、變壓器－－靜止異步電機－－旋轉(zhuǎn)

2、變壓器主磁路－－鐵心異步電機主磁路－－有氣隙

3、變壓器：一次側(cè)電能傳遞到二次側(cè)異步電機：定、轉(zhuǎn)子機電能量轉(zhuǎn)換異步電機與變壓器的比擬相似性：4/1/20232定子繞組電壓平衡方程為：1、定子電勢平衡定子繞組接交流電源電源電壓U1與感應(yīng)電勢及電阻壓降相平衡1）主電勢（感應(yīng)電勢）

2）定子漏磁電勢（漏抗壓降）

3）電阻壓降

定子漏阻抗：4/1/202332、轉(zhuǎn)子繞組電勢平衡1）轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢的頻率

旋轉(zhuǎn)磁場同步速n1，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n，轉(zhuǎn)差率s磁場切割轉(zhuǎn)子繞組的速度Δn轉(zhuǎn)子電勢的頻率：2）主電勢（感應(yīng)電勢）

籠型轉(zhuǎn)子：繞線轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組的相數(shù)和匝數(shù)：由設(shè)計決定！4/1/20234轉(zhuǎn)子繞組電勢平衡方程：4）電阻壓降

轉(zhuǎn)子繞組短路（鼠籠型異步電機、繞線型轉(zhuǎn)子短路情況）轉(zhuǎn)子漏阻抗：3）轉(zhuǎn)子漏磁電勢（漏抗壓降）

4/1/20235轉(zhuǎn)子邊功率因數(shù)：轉(zhuǎn)子繞組電流：轉(zhuǎn)子靜止時：注意：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時：3、轉(zhuǎn)子電流電流有效值：4/1/202364.4.4異步電機的等效電路根據(jù)電勢平衡方程得出等效電路為得到與變壓器相似的等效電路，需進行兩個折算：

1）頻率折算；2）繞組折算折算后方程轉(zhuǎn)子邊頻率：－－激（勵）磁阻抗4/1/202374.4.5（籠型）異步電動機的相量圖4/1/202384.4.6（籠型）異步發(fā)電機的相量圖（電動機慣例）同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差率（滑差率）發(fā)電機運行－－s<0轉(zhuǎn)子功率因數(shù)向定子送出電功率！！定子功率因數(shù)定子輸出電功率?。碾娋W(wǎng)吸收滯后性無功功率！4/1/20239轉(zhuǎn)子電流分析轉(zhuǎn)子電流可以寫為為轉(zhuǎn)子有功電流折算值為轉(zhuǎn)子無功電流折算值發(fā)電狀態(tài)時，s<0，轉(zhuǎn)子有功電流寫為有功電流與轉(zhuǎn)子電動勢反相無功電流滯后于轉(zhuǎn)子電動勢90°4/1/2023104.4.7

功率平衡及效率P1>P2，其余為損耗∑p異步電動機輸入電功率P1輸出為軸上機械功率P21、籠型異步電動機1）輸入功率4/1/2023112）定子銅耗3）鐵耗4）電磁功率PM定子鐵心與旋轉(zhuǎn)磁場相對轉(zhuǎn)速為n1較大轉(zhuǎn)子鐵心與旋轉(zhuǎn)磁場相對轉(zhuǎn)速為sn1較小轉(zhuǎn)子鐵耗可以忽略不計鐵耗主要為定子鐵耗電磁功率為通過氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子的電功率根據(jù)等效電路，轉(zhuǎn)子邊的總有功功率為4/1/2023125）轉(zhuǎn)子銅耗pcu2及總機械功率PΩ電磁功率其中：6）機械損耗pm和附加損耗pΔpΔ=(0.5-3%)PN7）輸出功率4/1/202313∵功率流程圖效率∴4/1/2023142、籠型異步發(fā)電機s＜0運行狀態(tài),90°<φ1<180°cosφ1<0定子功率3U1I1cosφ1＜0異步電機向電網(wǎng)發(fā)出有功功率－－發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)換成電功率的機械功率Pmec原動機輸入機械功率－－P1機械損耗－－pm，附加損耗－－pΔ1）功率分析s<0，Pmec<0，異步發(fā)電機由轉(zhuǎn)子輸入機械功率

Pmec減去轉(zhuǎn)子銅耗pCu2－－電磁功率PM

（轉(zhuǎn)子傳遞到定子）4/1/202315

4）效率及功率因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化電磁功率PM減去定子銅耗和鐵耗為向電網(wǎng)輸出的電功率P

23）功率流程2）功率平衡4/1/202316發(fā)電機方式下，輸入電機的機械功率Pin，減去機械損耗Pmechloss為可用于產(chǎn)生電能的功率在發(fā)電機轉(zhuǎn)子上可用于轉(zhuǎn)換的機械功率Pmec為：Pmec＝－（Pin－Pmechloss）

（注意：負號與發(fā)出的電功率為負的慣例相一致）從電的角度來看，這一轉(zhuǎn)換的功率為：發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)差率為負??！轉(zhuǎn)子中的電損耗和鐵磁損耗使得從轉(zhuǎn)子通過氣隙傳遞到定子的功率減少傳遞的功率Pg為(注意：I2RR’R為轉(zhuǎn)子中的電功率損耗，使得Pg比Pmec負的程度減小)因而：4/1/202317在定子中損失的功率為：發(fā)電機端部傳遞的功率（負的）Pout為：總效率（在發(fā)電機方式下）ηgen為：4/1/2023184）籠型異步發(fā)電機功率平衡定子輸出功率：定、轉(zhuǎn)子銅損耗：機械輸入功率：電磁功率：鐵損耗：4/1/202319籠型異步發(fā)電機的功率流程圖4/1/2023204.4.8

異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩和機械特性電磁轉(zhuǎn)矩－－異步電機一個非常重要的物理量機械特性－－電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)差率）變化的規(guī)律－－異步電動機非常重要的特性1、電磁轉(zhuǎn)矩輸入機械功率上式兩端同時除以Ω，即則穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程：轉(zhuǎn)換成電功率的機械功率4/1/202321電機輸入轉(zhuǎn)矩與本身阻轉(zhuǎn)矩及產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩平衡!!

4/1/2023223）電磁轉(zhuǎn)矩正比于每極主磁通！正比于轉(zhuǎn)子電流的有功分量！電磁轉(zhuǎn)矩的物理本質(zhì)??！4/1/2023234）根據(jù)近似等效電路，轉(zhuǎn)子電流為電磁轉(zhuǎn)矩（1）正比于相電壓的平方（2）與電機參數(shù)有關(guān)（3）隨轉(zhuǎn)差率變化4/1/202324電磁轉(zhuǎn)矩2、機械特性

一定的頻率和電壓下，電機的電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)差率（轉(zhuǎn)速）變化的規(guī)律，用曲線描述。機械特性上幾個關(guān)鍵點(3)最大轉(zhuǎn)矩：Tmax，s=sm(1)不同運行狀態(tài)區(qū)間(4)同步轉(zhuǎn)速點：T＝0，s=0(5)電機穩(wěn)定運行區(qū)間：

0<|s|<|sm|(2)電機堵轉(zhuǎn)：n＝0，s=1,f2=f14/1/202325Mmax:pull-outtorquelineartorquefunction

undernormaloperationrange4/1/2023263、機械特性討論1）最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率令最大轉(zhuǎn)矩：臨界轉(zhuǎn)差率：＋對應(yīng)電動機－對應(yīng)發(fā)電機（1）最大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)；（2）臨界轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻成正比；（3）最大轉(zhuǎn)矩正比于電壓的平方。

最大轉(zhuǎn)矩：機械特性曲線上轉(zhuǎn)矩的最大值臨界轉(zhuǎn)差率：與最大轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)差率討論：不同轉(zhuǎn)子電阻時的機械特性4/1/2023272）電網(wǎng)電壓對機械特性的影響頻率不變，電壓減小時，最大轉(zhuǎn)矩減小，臨界轉(zhuǎn)差率不變3）改變極數(shù)時的機械特性頻率不變，電壓不變，極數(shù)減小時，同步速增大，最大轉(zhuǎn)矩減小4/1/2023284.4.9

異步電機轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)、效率及電流隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律4/1/2023294/1/202330實際轉(zhuǎn)差率s取:1~3%

s值越大，特性越軟即電流斜率較小但損耗發(fā)熱越嚴重大發(fā)電機通常取較小的s值4/1/2023314/1/2023324.4.10

異步電機在非額定設(shè)計點的運行額定設(shè)計運行點通常是在特定頻率和電壓下的額定功率點有些情況下，風(fēng)力發(fā)電機組中電機可能是在非設(shè)計點運行：（1）起動過程（2）低于額定功率運行（3）變速運行（4）存在諧波時的運行通過變流器接入電網(wǎng)，電機可以變速運行變流器協(xié)調(diào)地改變發(fā)電機端部交流電源的頻率和施加的電壓電壓頻率比（U/f）恒定，性能最佳！相同電壓，不同頻率發(fā)電機繞組電流電流可能升高，導(dǎo)致?lián)p耗增大，并可能損壞發(fā)電機繞組?。?/1/2023334.4.11雙速電機（功率大小不同，兩種不同同步轉(zhuǎn)速）1）兩個異步電機，小電機額定功率約為大電機額定功率的25％2）單繞組變極異步電機3）雙繞組異步電機（例如較小功率為6極，較大功率為4極）雙異步發(fā)電機并網(wǎng)運行的切換問題由于風(fēng)能的隨機性，風(fēng)速的大小經(jīng)常變化驅(qū)動異步發(fā)電機的風(fēng)力機不可能經(jīng)常在額定風(fēng)速下運轉(zhuǎn)通常風(fēng)力機在低于額定風(fēng)速下運行的時間約占全年運行時間的60％～70％為了充分利用低風(fēng)速時的風(fēng)能，增加全年的發(fā)電量應(yīng)用雙速異步發(fā)電機雙速發(fā)電機在低速運轉(zhuǎn)時的效率較單速電機高，轉(zhuǎn)差損耗小在低風(fēng)速時能獲得多發(fā)電的良好效果定槳距失速型風(fēng)力機驅(qū)動的雙速異發(fā)電機均采用4／6極變極同步轉(zhuǎn)速為1500/1000（r／min）低速時對應(yīng)于低功率輸出，高速時對應(yīng)于高功率輸出4/1/2023344.5并網(wǎng)運行的籠型異步發(fā)電機與電網(wǎng)連接方式圖1directlycoupled,fixedspeedrotor圖4indirectlycoupled,variablespeedrotor4/1/202335齒輪箱主接觸器主開關(guān)熔斷器變壓器晶閘管裝置風(fēng)力機控制器(MPU)失速或槳距調(diào)節(jié)無功補償ASG:

asynchronousgeneratorMPU:

mainprocessingunit直接接入式4/1/2023364/1/202337600kW風(fēng)力機組風(fēng)力機轉(zhuǎn)速－功率圖4/1/202338特點:網(wǎng)側(cè)頻率決定轉(zhuǎn)速－－定速

（轉(zhuǎn)差率2%）直接接入電網(wǎng)（晶閘管裝置軟切入）電網(wǎng)電壓勵磁通過葉片失速或變槳調(diào)節(jié)來控制功率通過滑差率變化調(diào)整負荷，其輸出的功率與轉(zhuǎn)速近乎成線性關(guān)系

優(yōu)缺點：優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單，不需要整步過程缺點:需無功輸入，補償

對電網(wǎng)帶來功率沖擊失速無控制功率4/1/202339籠型異步發(fā)電機的運行特點（1）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；（2）絕大部分時間處于輕載狀態(tài)，要求在中低負載區(qū)效率較高，希望發(fā)電機的效率曲線平坦；（3）風(fēng)速不穩(wěn)，易受沖擊機械應(yīng)力，希望發(fā)電機有較軟的機械特性曲線，sm絕對值要大；（4）并網(wǎng)瞬間與電動機起動相似，存在很大的沖擊電流，應(yīng)在接近同步轉(zhuǎn)速時并網(wǎng)，并加裝軟起動限流裝置。4/1/202340Danishconcept–schema（雙速電機）note:smallerturbines<100kWusedbeltdrives4/1/202341Danishconcept–loadcurvewithtwoinductiongeneratorsfromsmalltolargegeneratorfromlargetosmallgenerator4/1/202342變速風(fēng)力機組齒輪箱

主開關(guān)熔斷器變壓器電容器風(fēng)力機控制器(MPU)失速或變槳調(diào)節(jié)ASG:

asynchronousgeneratorMPU:

mainprocessingunit濾波器整流器

逆變器ASG

4/1/202343power–rotorspeedcurve=alwaysinaerodynamicoptimumPower–rotorspeedcurve

ofwindturbinewithvariablespeedrotor4/1/202344異步電機變速風(fēng)力機組（variablespeedrotor）變流器(PowerConvertor)需要按全功率設(shè)置

（1p.u.totalsystempower）逆變輸出濾波器按全功率配置，設(shè)計困難，價格高系統(tǒng)總效率受變流器效率影響很大變速風(fēng)力機實現(xiàn)最大功率點跟蹤4/1/202345失速調(diào)節(jié)型與變速恒頻的對比失速調(diào)節(jié)型風(fēng)速波動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩波動傳動系統(tǒng)（齒輪）有大的機械應(yīng)力變速運行風(fēng)速波動轉(zhuǎn)換成風(fēng)力機