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风力发电机及其系统培训


风力发电机及其系统

风力发电机组的内部结构

机舱+轮毂+桨叶+变桨系统+偏航系统 +齿轮箱+发电机+底座+塔筒+控制柜

典型风力发电机系统
? ? ? ? ? ? ? ? ? 定速笼型异步风力发电机系统 转子电流受控的异步风力发电机系统 双馈异步风力发电机系统 转子电流混合控制的异步风力发电机系统 变

速笼型异步风力发电机系统 电励磁直驱同步风力发电机系统 永磁直驱同步风力发电机系统 混合励磁直驱同步风力发电机系统 横向磁通永磁同步风力发电机系统

定速笼型异步风力发电机系统

三相笼型异步风力发电机

笼型异步风力发电机的内部结构
机座

风扇

定子铁心 定子绕组

端盖

转子铁心

转子绕组 (端环)

笼型异步风力发电机的工作原理
? 旋转磁场

? 向对称的三相绕组中通入对称三相交流电流, 可以产生一个旋转磁场。 ? 如果三相绕组分布在一个圆周上,则旋转磁场 作旋转运动。旋转磁场在一个圆周内,呈现出 的磁极(N、S极)数目称为极数,用2P表示。 ? 旋转磁场的转向取决于三相电流的相序,转速 n1取决于电流的频率 f 和极对数 P:

60 f n1 ? P

—— 同步转速

笼型异步风力发电机的工作原理
定子三相电流产生旋转磁场,以同步转速n1 旋转 在转子导条中产生感应电动势 e e 在转子绕组中产生感应电流 i i 在磁场中产生电磁力f f 产生电磁转矩T 若转子以转速n>n1, 向n1的方向旋转 机械能 →电能,是发电机 n 是否会等于 n1? 要产生T,必须n≠n1
A

n1

Y

S

C

e, i f n
f

T

X

Z

N

B

—— 异步

转子转速大于定子旋转磁场转速, 发电!

笼型异步风力发电机的工作原理
? 转差率
异步电机的特点之一是转子转速 n和定子旋转磁场的同步转 速n1不同。 把同步转速 n1 与转子转速 n 的差与同步转速 n1 的比值,称为 转差率,用s表示,即

n1 ? n s? n1
则转子转速n可表示为:

n=(1-s)n1

笼型异步发电机 中转差率S 与运行状态的关系?

笼型异步风力发电机的工作原理
? 异步电机的运行状态

发电机状态
S n1 n N T

电动机状态
S n1 n T

n

n>n1>0 s< 0

n1 0

N 0<n<n1

0 1

0<s<1

s

用转差率s可以表示异步电机的运行状态!

电机 正反 转控 制图

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笼型异步发电机的等值电路
R1 I?1 j X1 I?0 Rm jXm

? R2

? jX 2

? U 1

' I?2
? =E ?' E 1 2

1? s ? R2 s

?一相等值电路 ?定子漏阻抗、转子漏阻抗(折合)、励磁阻抗

?转子可变电阻反映发电机的负载状况

铁损和铜损
? 铁损:电机的铁损包括磁滞损失和 涡流 损失两部分,电机空载时所消耗的功率。 ? 铜损:电机绕组上的损耗,包括原绕组 的铜损和副绕组的铜损,一般电机短路 情况下的损耗就是铜损。

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笼型异步发电机的功率表述
pCu1
R1 ? I 1 jX 1 ? I 0 ? jX 2 ?? I 2 ? ?E ?? E 1 2 jXm ? R2

定子输出功率:

pCu2

P1 ? m1U 1I 1 cos ? 1
铁损耗:
2 p Fe ? m1I 0 Rm

? U 1

pFe

Rm

1? s 2 ? p Cu1 ? m1I 1 R2 R1 s

定、转子铜损耗:

P1

PM

Pm

p Cu2 ? m1I ?22 R?2
2 1? s m1I ?2

机械输入功率:

Pm ?
电磁功率: P
M

s

R?2

? m1E?2 I ?2 cos ? 2 ? m 2 E 2 I 2 cos ? 2 ?

m1I ?22

R?2 s

笼型异步发电机的功率流程图
? /s R2
R1 jX1

? jX 2

? R2

? I 1

? I 0
Rm

?? I 2
? ?E ?? E 1 2
1? s ? R2 s

? U 1

jXm

P1

PM

Pm

P2

pCu1

pFe

pCu2

pm+ pa

笼型异步发电机的机械特性曲线
n
发 电 机

电磁转矩:

T?
Smax

m1 pU12

? 2 R2 ? )2 ] 2πf1[( R1 ? ) ? ( X 1 ? X 2 s
发电机状态:

? R2 s

0 n1
电 动 机

0<n1<n ,s<0
电动机状态:
T

电磁 制动

- Tm

1 0

Tm

0<n<n1 ,0<s<1

s

软特性 vs. 硬特性

笼型异步发电机的运行特点
(1)发电机励磁消耗无功功率,皆取自电网。应 选用较高功率因数发电机,并在机端并联电容; (2)绝大部分时间处于轻载状态,要求在中低负 载区效率较高,希望发电机的效率曲线平坦; (3)风速不稳,易受冲击机械应力,希望发电机 有较软的机械特性曲线,Smax绝对值要大 ; (4)并网瞬间与电动机起动相似,存在很大的冲 击电流,应在接近同步转速时并网,并加装软起 动限流装置;

典型风力发电机系统
? ? ? ? ? ? ? ? ? 定速笼型异步风力发电机系统 转子电流受控的异步风力发电机系统 双馈异步风力发电机系统 转子电流混合控制的异步风力发电机系统 变速笼型异步风力发电机系统 电励磁直驱同步风力发电机系统 永磁直驱同步风力发电机系统 混合励磁直驱同步风力发电机系统 横向磁通永磁同步风力发电机系统

转子电流受控的异步风力发电机 系统(Rotor Current Control, RCC)
定义:
转子电流控制技术是指通过电力电子开关和 脉宽调制(PWM)来控制绕线型异步发电机转子 电流的一项技术。

系统的结构特征:
(1)采用变桨风力机; (2)采用绕线型异步发电机,但没有滑环; (3)采用旋转开关器件斩波控制转子电流,动态调 整发电机的机械特性。

转子电流受控的异步风力发电机 系统(Rotor Current Control, RCC)
? 绕线型转子异步发电机

?转子采用类似于定子的三相交流绕组,一般 接成Y接; ?转子三相绕组可在转子内部联接,也可经滑 环—电刷装置将转子三相绕组端接线引出; ?转子三相绕组的端接线在转子内部短接时, 发电机的机械特性类似于笼型异步发电机;外 接附加电阻时,机械特性变软。

转子电流受控的异步风力发电机 系统(Rotor Current Control, RCC)
转子电流斩波控制电路:

原理: 控制附加电阻的接入时间,从而控制转子电流

RCC异步风力发电机系统的特点
优点:
(1)风速变化引起风轮转矩脉动的低频分量由变 桨调速机构调节,其高频分量由RCC调节,可 明显减轻桨叶应力,平滑输出电功率; (2)利用风轮作为惯性储能元件,吞吐伴随转子 转速变化形成的动能,提高风能利用率; (3)电力电子主回路结构简单,不需要大功率电 源。

缺点:
旋转电力电子开关电路检修、更换困难。

典型风力发电机系统
? ? ? ? ? ? ? ? ? 定速笼型异步风力发电机系统 转子电流受控的异步风力发电机系统 双馈异步风力发电机系统 转子电流混合控制的异步风力发电机系统 变速笼型异步风力发电机系统 电励磁直驱同步风力发电机系统 永磁直驱同步风力发电机系统 混合励磁直驱同步风力发电机系统 横向磁通永磁同步风力发电机系统

双馈异步风力发电机系统
系统主回路构成: 双馈异步发电机 +交直交双向功率变换器

双馈异步风力发电机系统
双馈异步风力发电机(风冷)

双馈异步风力发电机系统
? 风力发电机的关键部位:滑环(电刷)系统

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双馈异步风力发电机系统
? 什么是双馈电机? ? 所谓双馈电机,就是将电能分别馈入绕线转子异步电机 的定子绕组和转子绕组,一般将定子绕组接入电网,而 接入转子绕组电源的频率、电压幅值和相位则需要按 要求分别进行调节 。 ? 双馈电机的特点: ? (1)和异步电机区别:异步电机是通过定子从电网吸 收励磁电流,本身无励磁绕组,而双馈与同步机一样有 独立的励磁绕组;异步电机无法改变功率因数;异步电 机的转速随负荷变化而变化 。 ? (2)和同步机区别 :同步机励磁只可调节电流的幅 值,因此只能对无功功率进行调节,而双馈电机可以调 节幅值、频率和相位:改变励磁频率,可以调节电机转 速;改变励磁电流相位,可以调节发电机电势和电网电 压向量的相对位置,改变了电机功率角 ,可以调节有功 中国风力发电网 www.fenglifadian.com 和无功.

双馈异步风力发电机系统
双馈异步发电机 ? 绕线型转子三相异步发电机的一种; ? 定子绕组直接接入交流电网; ? 转子绕组端接线由三只滑环引出,接至一台双 向功率变换器(变频器); ? 转子绕组通入变频交流励磁; ? 转子转速低于同步转速时也可运行于发电状态; ? 定子绕组端口并网后始终发出电功率;但转子 绕组端口电功率的流向取决于转差率;

双馈异步风力发电机系统

? 控 制 原 理 简 图

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双馈异步风力发电机系统
? 双馈系统(变换器系统):
? (1)交交变频器(双馈中有一定应用) ? 优点:自然换流,四象限可靠运行;无直流滤波,变频效 率高 。 ? 缺点:变压器始终吸收无功、功率因数低;谐波大,输出 频率低,需要隔离变压器 ? (2)交直交变频器(大量应用) ? 优点:双PWM实现能量的双向传递;结构简单、电流谐波 含量小、输入功率因数可控 ? 缺点:直流环节的滤波电容体积较大,寿命较短,且双侧 采用PWM控制,开关损耗较大. ? (3)矩阵变换器(研发阶段) ? 优点:四象限运行;可输出幅值、频率、相位和相序均 可控的电压,谐波含量较小. ? 缺点:换流过程不允许两个开关同时导通或同时关断 , 中国风力发电网 实现比较困难 www.fenglifadian.com

风力发电系统简图

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双馈异步风力发电机系统
基于IGBT(绝缘栅双极晶闸管)技术的双馈 异步风力发电机系统交直交双向功率变换器
? 大 的 机 侧 小 的 网 侧

双馈异步风力发电机系统
? IGBT原理图

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双馈异步风力发电机系统

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双馈异步风力发电机系统

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双馈异步风力发电机系统
交直交双向功率变换器
? 两套PWM控制型三相开关桥“背靠背”,中间 存在电容支撑的直流母线; ? 在任一时刻,一套三相桥处于脉冲整流状态;而 另一套处于逆变状态; ? 发电机侧三相开关桥采用定子磁场定向矢量控制 和空间电压矢量PWM控制方法; ? 电网侧三相开关桥采用电网电压定向矢量控制和 空间电压矢量PWM控制方法; ? 可实现发电机输出的有功和无功功率解耦控制。

双馈异步风力发电机的运行原理
? 引入转子交流励磁变流器,控制转子电流; ? 转子电流的频率为转差频率,跟随转速变化; ? 通过调节转子电流的相位,控制转子磁场领先 于由电网电压决定的定子磁场,从而在转速高 于和低于同步转速时都能保持发电状态; ? 通过调节转子电流的幅值,可控制发电机定子 输出的无功功率; ? 转子绕组参与有功和无功功率变换,为转差功 率,容量与转差率有关。

双馈异步风力发电机的等值电路
S≠ 0 时

S=0 时,右边的转子支路转变为一个电流源。

双馈异步风力发电机系统
a. 亚同步发电运行 nr <n1时 ,(即 0<S<1) f2取正号,如果忽略各种损耗,则发电机的能量关系 为: P电磁=P机械+P转差 P上网=P电磁 (定子馈电,转子由变频器提供励磁) b.超同步发电运行 nr > n1时,(即 S>1) f2取负号,如果忽略各种损耗,则发电机的能量 关系为: P机械=P转差+P电磁 P上网=P转差+P电磁(定子馈电+转子馈电)
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将定转子电压、电流和磁链各量投影到由定子磁场确定 的同步旋转坐标系中,进行调节控制的方法。

定子磁场定向矢量控制

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双馈发电机的功率转速关系
双馈发电机功率转速曲线
1600 1400 1200 1000

输出功率 定子有功 转子有功

功率(kW)

800 600 400 200 0 -200 700.00

800.00

900.00

1000.00 发电机转速(r/min)

1100.00

1200.00

1300.00

此图参考1.5MW风机

双馈发电机的负载电流关系
双馈发电机负载电流曲线
1200

定子电流
1000

转子电流

800

电流(A)

600 400

200 0 0 200 400 600 800 负载功率(kW) 1000 1200 1400 1600

双馈发电机的负载转子电压关系
发电机负载转子电压曲线
400 350 300

转子电压(V)

250 200 150 100 50 0 0 200 400 600 800 负载功率(kW) 1000 1200 1400 1600

双馈发电机的效率曲线
双馈发电机效率曲线
100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 0 200 400 600 800 负载功率(kW) 1000 1200 1400 1600

效率(%)

双馈异步风力发电机系统的特点
(1)连续变速运行,风能转换率高; (2)部分功率变换,变流器成本相对较低; (3)电能质量好(输出功率平滑,功率因数高); (4)并网简单,无冲击电流; (5)降低桨距控制的动态响应要求; (6)改善作用于风轮桨叶上机械应力 状况 ; (7)双向变流器结构和控制较复杂; (8)电刷与滑环间存在机械磨损。

典型风力发电机系统
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转子电流混合控制的异步风力发 电机系统
4变 压 装 置 5 多功能变换器 2双 馈 电 机 3绕 线 转 子 1电 网
VT 1 VT 3 VT 5

R

VT 4

VT 6

VT 2

混合控制
双馈+斩波
8
VT 7 VT 8

6 整流器

7星 点 短 接 及 保 护 装 置

转子电流混合控制的特点
? 优点: (1)简化了主回路结构和控制策略,成本低; (2)兼具双馈控制和RCC控制的优点。 ? 缺点: (1)转速范围缩小; (2)超同步速运行时,无功功率不可调,功率 因数略低。

典型风力发电机系统
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变速笼型异步风力发电机系统
generator side breaker Converter (full rating) rectifier inverter grid side breaker

line coupling transformer brake Cage Induction generator

gearbox

converter controller pitch drive

Yaw drive

wind turbine controller

变速笼型异步风力发电机系统
系统特点
? 笼型异步风力发电机运行于变速变频发电状态; ? 运行于小转差率范围,发电机机械特性硬,运 行效率高; ? 发电机机端电压可调,轻载运行效率高; ? 发电机与电网被可控的变流器隔离,系统对电 网波动的适应性好; ? 变流器与发电机功率容量相等,系统成本高。

典型风力发电机系统
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电励磁直驱同步风力发电机系统
发展同步发电机的必要性:
? 同步发电机用作风力发电机时,即可直接向交 流负载供电,也可经整流器变换为直流电,向 直流负载供电。因此,同步风力发电机已成为 中小容量风力发电机组的首选机型。 ? 近年来,在大容量风力发电机组产品中,同步 风力发电机也已暂露头角,有望成为未来的主 力机型。

直接驱动同步风力发电机
去除齿轮箱,直接驱动的理由:
? 由齿轮箱引起的风电机组故障率高; ? 齿轮箱的运行维护工作量大,易漏油污染; ? 系统的噪声大,效率低,寿命 短。

直驱带来的问题:
? 发电机转速低、转矩大,体积重量明显增大; ? 全功率整流逆变,变流器成本高。

直接驱动同步风力发电机

同步风力发电机的定、转子结构

定子铁心

定子绕组

发电机转子

同步风力发电机的基本工作原理
同步发电机原理:产生感应电动势
? 风力机拖着发电机的转子以恒定转 速n1相对于定子沿逆时针方向旋转; ? 安放于定子铁心槽内的导体与转子 上的主磁极之间发生相对运动 ; ? 根据电磁感应定律可知,相对于磁 极运动(即切割磁力线)的导体中 将感应出电动势: e ? b lv [V]
?

? 导体感应电动势的方向可用右手定则判断 。

同步风力发电机的基本工作原理
? 如果发电机的转速为n1,单位为r/min, 即发电机转子每秒转了n1/60圈,则定子 导体中感应电动势的频率为:

pn1 f ? [ Hz] 60
? 当发电机的极对数p与转速n1一定时,发 电机内感应电动势的频率f就是固定的数 值。

同步风力发电机的基本工作原理
同步发电机原理: —产生电磁力
如果在同步发电机定子 导体A中有电流流过,那么 根据电磁作用力定律,导体 A在主磁极的磁场作用下, 将受到一个电磁力 :

f ? b? li [N]
电磁力的方向可用左手 定则判断 。

同步风力发电机的电动势方程式
电动势方程式:
? ?U ? ? IR ? ? jI ? X ? jI ? X E 0 d d q q
式中, Xd= Xs+Xad

? E 0
? E q

? X jI d d

? jIX q
? U
? ? ?

? X jI q q

Xq=Xs+Xaq
Xad 、Xaq — 每相电枢绕组的直 轴、交轴电枢反应电抗。 Xd 、Xq —每相电枢绕组的直轴、 交轴同步电抗。

? I q

? I

? I d
相量图(忽略R)

同步发电机的空载特性
E0
E0:定子一相感应电动势的有效值
if:转子励磁电流

空载特性反映了转子励磁 磁动势产生磁场、并在定子 绕组中感应电动势的能力。
0 if (Ff )
空载特性 E0=f ( if )

同步发电机的外特性
外特性:同步发电机在 n U = nN , if = const , cos? = const 的条件下,端电压 U UN 和负载电流 I 的关系曲线。
外特性反映负载性质不 同时,端电压随负载大小 变化而变化的情况。

cos(?? ) ? 0.8 cos ? ? 1 cos ? ? 0.8

0

IN

I

负载的 cos? 不同, U 随 I 变化的趋势有所不同。

同步发电机的电压调整率
保持发电机额定运行时 U (UN、IN、cos?N)的额定励 E 0 磁电流 ifN 和转速不变,去掉 UN 全部负载后,空载电动势为 E0 ,则电压调整率为

if=ifN , cos ? ? cos ? N

?U

E0 ? U N ?U % ? ? 100% UN
式中E0和UN同为相值或线值。

0

IN

I

同步发电机的功角特性
电磁功率的表达式
PM ? P2 ? pCu ? mUI cos? ? mI 2 R ? mI (U cos ? ? IR)
电磁功率可用电枢感应电动势、电枢 电流及它们之间的夹角表示。对隐极同 步发电机(不计饱和):

? E 0
? E q

? X jI d d

? jIX q
? U
? ?
?

? X jI q q

? I q

? I

PM ? mE0 I cos? ? mE0 I q

? I d

同步发电机的功角特性
功角特性
E0U U2 ? 1 1 ? PM ? m sin ? ? m ? ? ? sin 2? ? Xd 2 ? Xq Xd ? ?
励磁电磁功率 磁阻电磁功率 P M

隐极同步发电机,最大电磁功率 出现在? =90?处。 凸极同步发电机,最大电磁功率 出现在? <90?处。

90 0

。 。 180 ?

电励磁直驱同步风力发电机系统
converter generator side breaker main inverter rectifier (full rating) grid side breaker

line coupling transformer brake

gearbox

converter controller
SG

AVR exciter

pitch drive

Yaw drive

wind turbine control

电励磁直驱同步风力发电机系统
系统特点:
? 通过调节转子励磁电流,可保持发电机的端电 压恒定; ? 定子绕组输出电压的频率随转速变化; ? 可采用不控整流和PWM逆变,成本较低; ? 转子可采用无刷旋转励磁; ? 转子结构复杂,励磁消耗电功率; ? 体积大、重量重,效率稍低。

典型风力发电机系统
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永磁直接驱动同步风力发电机

永磁同步发电机的功率变换电路

永磁直接驱动同步发电机系统
系统特点:
? 永磁发电机具有最高的运行效率; ? 永磁发电机的励磁不可调,导致其感应电动势随转速 和负载变化。采用可控PWM整流或不控整流后接 DC/DC变换,可维持直流母线电压基本恒定,同时可 控制发电机电磁转矩以调节风轮转速; ? 在电网侧采用PWM逆变器输出恒定频率和电压的三相 交流电,对电网波动的适应性好; ? 永磁发电机和全容量全控变流器成本高; ? 永磁发电机存在定位转矩,给机组起动造成困难。

典型风力发电机系统
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混合励磁直驱同步风力发电机系统

混合励磁直驱同步风力发电机系统
系统特点:
? 利用转子的凸极磁阻效应,增强永磁发电机的 调磁能力; ? 采用部分功率容量的SVG逆变器向发电机机端 注入无功电流,以调节发电机的端电压; ? 无需全功率容量的脉冲整流或DC-DC变换器, 可明显节省变流器的容量; ? SVG逆变器可兼有有源滤波的功能,能够改善 发电机中的电流波形,降低发电机的谐波损耗 和温升。

典型风力发电机系统
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横向磁通永磁同步风力发电机系统

新结构发电机与电力电子变流器的结合,有望大幅度减 小大功率低速直驱发电机的空间尺寸和重量!

小结
(1)笼型异步发电机成本低、可靠性高,在定 速和变速全功率变换风力发电系统中将继续扮 演重要角色;

(2)双馈异步发电机系统具有最高的性价比, 特别适合于变速恒频风力发电。将在未来数年 内继续称为风电市场上的主流产品;
(3)直驱型同步风力发电机及其变流技术发展 迅速,利用新技术有望大幅度减小低速发电机 的体积和重量。

谢谢!


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