電氣工程基礎教案

1、教學內容：電氣工程的歷史和形成、 地位和發(fā)展、展望。教學重點：電氣工程學科的分學科分類的未來發(fā)展；教學難點：電氣工程學科所包含的內容，設備教學方法：課堂教學為主，充分利用網(wǎng)絡課程中的多媒體素材來表示抽象概念。教學要求：了解電氣工程的歷史和形成、 電氣工程的地位和發(fā)展、電氣工程的展望。1.1 電氣工程的歷史和形成電氣工程是研究電磁領域的客觀規(guī)律及其應用的科學技術，以電工科學中的理論和方法為基礎而形成的工程技術稱為電氣工程。根據(jù)電氣工程學科的發(fā)展現(xiàn)狀，可將其分為相對獨立的五個分學科:電力系統(tǒng)及其自動化技術、電機與電器及其控制技術、高電壓與絕緣技術、電力電子技術和電工新技術。其結構簡圖如下圖所示。

2、1. 2 電氣工程的地位和發(fā)展1.電氣工程學科的地位電氣工程學科在國家科技體系中具有特殊的重要地位；是國民經(jīng)濟的一些基本工業(yè)（能源、電力、電工制造等）所依靠的技術科學；是另一些基本工業(yè)（交通、鐵路、冶金、化工、機械等）必不可少的支持技術；是一些高新技術的重要科技組成部分。2. 發(fā)展解放前，我國電工科學的基礎薄弱而落后。建國后，有了多方面的巨大發(fā)展。我國一次能源總產量達10.9億噸標準煤（2000），居世界第三位，比1949年增長了44倍。但電能比重仍較落后，只占國民經(jīng)濟總能源消耗的25%左右。1949年,我國電力工業(yè)的發(fā)電量4.3億kWh（世界排序第25位）、裝機容量1850MW（世界排序第2

3、1位）。 2003年，分別增加到19052億kWh和391GW（皆居世界第二位），各增大443倍和211倍。 截至2003年底，我國水電裝機達92170MW，占發(fā)電總裝機的24，年發(fā)電量2830億kWh，占總發(fā)電量的15。3. 實例：（1）電工制造業(yè)以技術復雜的汽輪發(fā)電機組為例： 我國1956年才試制成功6000kW機組； 2002年，已制成并投產900MW，即46年期間汽輪發(fā)電機組單機容量的制造能力擴大到1500倍，居于世界先進行列。 （2） 在斷路器和避雷器等電器制造方面： 解放時，我國只能制造10kV的充油式斷路器； 目前，可制造500kV新型的SF6的斷路器；從10kV管式避雷器提高到

4、500kV氧化鋅避雷器的制造水平，均已進入了世界先進行列。（3） 以大型電力變壓器為例：1923年，我國生產第一臺三相電力變壓器50kVA；1948年，制成國內最大的6.6kV三相2500kVA電力變壓器；本世紀初，我國已能生產500kV的三相750MVA和成組1000kV/250MVA的單相電力變壓器，按三相容量計算，制造能力擴大到300倍。 （4）在輸電線路方面：1949年，我國只有一回220kV線路，全部35kV以上輸電線僅6475km；1999年底，我國超高壓輸電500kV（含直流線路）達22927km ，變電容量達80120MVA ；220kV以上輸電線路總長達km、變電容量達MVA

5、。（5） 在電氣化方面： 工業(yè)用電量占全部電能生產的71.5%（2001），每年新增發(fā)電量的64.6%用于工業(yè)用電，其中輕工業(yè)用電的年增長率已達14.6%。 農業(yè)用電增長也很快，自解放以來，平均每年以24%的高速增長，在全國2300個縣中，已有2280個縣用上了電。 第三產業(yè)用電（包括市政商業(yè)和交通通信）和居民用電量到2001年已達電能總生產量的24.61%。 （6） 在電力電子和電工新技術領域：1962年，我國試制出第一個晶閘管；目前，已能批量生產電流達3000A、電壓為8500V的晶閘管，并能研制生產和應用快速、全控器件或設備。 （7） 在電力系統(tǒng)方面： 1949年，只有東北、京津唐和上海

6、三個容量不大（分別為646，259和250MW）的電力系統(tǒng)； 2003年，已有11個電力系統(tǒng)發(fā)電裝機容量超過20000MW，其中東北、華北、華東、華中電網(wǎng)發(fā)電裝機容量均超過30000MW，華東、華中電網(wǎng)甚至超過40000MW ，西北電網(wǎng)的裝機容量也達到20000MW； 其他幾個獨立省網(wǎng)，如四川、山東、福建等電網(wǎng)發(fā)電裝機容量超過或接近10000MW； 大區(qū)電力系統(tǒng)目前正進入各自加強和彼此互聯(lián)以及進一步發(fā)展形成全國統(tǒng)一電力系統(tǒng)的過程中。 （8） 在電工高技術的范圍內：我國也從空白狀態(tài)發(fā)展形成多個相互配合的研究基地或重點實驗室，并相繼取得一些世人矚目的研究成果。例如1983年建成的8MV閃光I強流脈

7、沖電子束加速器和1990年建成的9MeV感應直線加速器、各種激光器、各種等離子體裝置的研制和應用、超導技術、醫(yī)療用電工技術、電接觸技術、新型電測技術等的成果（新裝置、新儀器、新方法等）都使我國在電工新技術和新技術領域中從填補空白的階段先后步入建立試驗基地，開展系統(tǒng)性研究，力求迎頭彌補差距的新階段。綜上所述：我國電工科學在傳統(tǒng)的電力輸送、電工制造或高電壓技術方面，取得可喜的進展和成績我國在電工新技術和高技術領域中也取得可喜的進展和成績。這說明我國的電工科學已發(fā)展成為國民經(jīng)濟發(fā)展中可靠的支柱。1. 3 電氣工程的展望20世紀中葉以來，以電子信息技術為核心的新技術革命正在興起，沖擊著所有傳統(tǒng)科學，包

8、括基礎科學、技術科學、綜合科學，甚至社會科學等在內的廣大領域。 有人統(tǒng)計，最近20年中的科技創(chuàng)造和發(fā)明超過了過去兩千年中創(chuàng)造發(fā)明的總和。 在技術科學范圍內，不少學科都發(fā)生了“舊貌換新穎”的變化，電工學科的巨大變化也十分顯著。 1. 在支持和加強電工科學技術發(fā)展時，應從宏觀方面考慮到以下幾個重要問題：（1） 電工科學是一門技術科學，只從縱向關系看，它與其所依賴的基礎科學（如電磁學、力學、數(shù)學、化學等）和指引并支持的生產技術（包括設計、工藝、產品開發(fā)等）是一條連續(xù)線，但又各有分工。 （2） 電工科學應指導電力和電工的生產應用而生產應用應促進電工科學進步。 （3） 當代學科發(fā)展戶的相互交叉、滲透現(xiàn)象

9、已成為科技發(fā)展中的重要促進因素。電工科學中近些年來新出現(xiàn)的大量新分支、新技術、新方法和新理論就是明證。 （4） 電工科技的應用面廣，交叉范圍大。但科研資金的來源卻不能和其應用范圍相適應，相對較狹窄。 2. 電氣工程學科是在經(jīng)驗和教訓中不斷發(fā)展起來的： 著名例子是美加“8.14大停電”，2003年8月14日下午，美國的中西部和東北部以及加拿大的安大略省經(jīng)歷了一次大停電事故，其影響范圍包括美國的俄亥俄州、密西根州、賓夕法尼亞州、紐約州、佛蒙特州、馬薩諸塞州、康涅狄格州、新澤西州和加拿大的安大略省，損失負載大61.8GW，影響了5千萬人口的用電。停電在美國東部時間下午4時06分開始，在美國的一些地區(qū)

10、兩天內未能恢復供電，加拿大的安大略省甚至一周未能恢復供電。這次停電事故引起了全世界的關注。 綜合資料，基本可以判斷本次大停電對全網(wǎng)而言屬于潮流大范圍轉移導致的快速電壓崩潰，同時伴有潮流大范圍轉移和竄動導致的斷面線路相繼跳閘和系統(tǒng)解列后的頻率崩潰。 教學內容：風能的特性及風能利用、風力發(fā)電機組及工作原理、風力發(fā)電機組的控制策略、風力發(fā)電機組的并網(wǎng)運行和功率補償、風力發(fā)電的經(jīng)濟技術性評價；教學重點：風力發(fā)電機組的控制策略、風力發(fā)電機組的并網(wǎng)運行和功率補償教學難點：風力發(fā)電機組的控制策略教學方法：課堂教學為主，充分利用網(wǎng)絡課程中的多媒體素材來表示抽象概念。教學要求：了解風能的特性、掌握風力發(fā)電機組的

11、工作原理及控制策略、掌握風力發(fā)電機組的補償原理。2.1 風的特性及風能應用2.1.1風的產生風是地球上的一種自然現(xiàn)象，由太陽輻射熱和地球自轉、公轉和地表差異等引起，大氣是這種能源轉換的媒介。2.1.2 風的特性與風能優(yōu)點：簡單、無污染、可再生缺點：穩(wěn)定性、連續(xù)性、可靠性差，時空分布不均勻1、風的表示法風向、風速和風力（1）風向的表示法 風吹來的地平方向定為風的方向。風向一般用16個方位表示，也可以用角度表示。觀測風向的儀器，目前使用最多的是風向標。（2）風速的表示法由于風時有時無、時大時小，每一瞬時的速度都不相同，所以風速是指一段時間內的平均值，即平均風速。國際上的單位為m/s或km/h。（3

12、）風速與風級 風力等級是根據(jù)風對地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風力的強度等級來估計風力的大小。國際上采用的為蒲福風級，從靜風到颶風共分為13個等級。 風力等級與風速的關系： 式中 VNN級風的平均風(m/s)；N風的級數(shù)。2、風的特性（1）風的隨機性 風的產生是隨機的，但可以根據(jù)風隨時間的變化總結出一定的規(guī)律。如地面上夜間風弱，白天風強；高空中夜里風強，白天風弱，這個逆轉的零界高度為100150m。我國大部分地區(qū)風隨季節(jié)變化的情況是：春季最強、冬季次之、夏季最弱。（2）風隨高度的變化而變化不同高度風速的表達式：式中 距地面高度為h處的風速（ms）； 0高度為h0處的風速（ms），一般取

13、h0為10m； k修正指數(shù)，它取決于大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度等，其值約為0.1250.5。 為了從自然界獲取最大的風能，應盡量利用高空中的風能，一般至少比周圍的障礙物高10m左右。3、風能（1） 風能密度 空氣在1s內以速度流過單位面積產生的動能。表達式為：（2） 風能 空氣在1s內以速度流過面積為S截面的動能。 （3） 風能的特點 優(yōu)點：蘊量巨大、可再生、分布廣泛、沒有污染 缺點：密度低（只有水力的1/816）、不穩(wěn)定、地區(qū)差異大2.1.3 風能的利用風能的利用主要是將大氣運動時所具有的動能轉化為其他形式的能量，一般利用風推風車的轉動以形成動能。2.2 風的特性及風能應用2.2.1 風力發(fā)電機

14、組的結構及分類 1、風力發(fā)電機組的分類風力發(fā)電機組的分類一般有3種，如下表所示。從風輪軸的安裝型式水平軸風力發(fā)電機組和垂直軸風力發(fā)電機組按風力發(fā)電機的功率微型（額定功率501000W）、小型（額定功率1.010kW）、中型（額定功率10100kW）和大型（額定功率大于100kW）按運行方式獨立運行和并網(wǎng)運行2、風力發(fā)電機組的結構風力發(fā)電機組中，水平軸式風力發(fā)電機組是目前技術最成熟、產量最大的形式；垂直軸風力發(fā)電機組因其效率低、需起動設備等技術原因應用較少，因此下面主要介紹水平軸風力發(fā)電機組的結構。（1）獨立運行的風力發(fā)電機組水平軸獨立運行的風力發(fā)電機組主要由風輪(包括尾舵)、發(fā)電機、支架、電纜

15、、充電控制器、逆變器、蓄電池組等組成，其主要結構見右圖。 （2） 并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組并網(wǎng)運行的水平軸式風力發(fā)電機組由風輪、增速齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成，其結構如右圖所示。 （3） 大型風力發(fā)電機組并網(wǎng)運行的大型風力發(fā)電機組的基本結構，它由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調向機構、發(fā)電機、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機艙、機座、回轉體、制動器）等組成。2.2.2 風力機及風能轉換原理1、風力發(fā)電機的結構風力機又稱為風輪，主要有水平軸風力機和垂直軸風力機。1、水平軸風力機：旋轉軸與地面呈水平狀態(tài)a.荷蘭式b.農莊式c.自行車式d.槳葉式 水平軸風力機的技術參數(shù)主要有：風輪

16、直徑：功率越大，直徑越大 葉片數(shù)量：高速風力機24片，低速風力機大于4片 風能利用系數(shù)：0.150.5起動風速：35m/s 停機風速：1535m/s 輸出功率：幾十W至幾MW 2、垂直軸風力機：旋轉軸垂直于地面 a.薩窩紐斯式 b.達里厄式 c.旋翼式2 風力機的氣動原理現(xiàn)代風力機采用空氣動力學原理，就像飛機的機翼一樣。風并非“推”動風輪葉片，而是吹過葉片形成葉片正反面的壓差，這種壓差會產生升力，令風輪旋轉并不斷橫切風流。如果將一塊薄板翼形放在氣流中且與氣流方向平行，由于翼片上表面彎曲，下表面平直，翼片上方氣流速度比下方快，跟據(jù)流體力學的伯努利原理，上方氣體壓強比下方小，上下表面間的壓差產生垂

17、直于氣流方向的升力。當翼片與氣流方向有夾角（該角稱攻角或迎角）時，隨攻角增加升力會增大，阻力也會增大，平衡這一利弊，一般說來攻角為8至15度較好。超過15度后翼片上方氣流會發(fā)生分離，產生渦流，升力會迅速下降，阻力會急劇上升，這一現(xiàn)象稱為失速。 3、風力機的輸出功率當風吹向風力機的葉片時，風力機的主要作用是將風能轉化為機械能，風力機的機械輸出功率可用式子表示為：4、風力機的調節(jié)與控制風力機的功率調節(jié)方式有定槳距失速調節(jié)、變槳距調節(jié)和主動失速調節(jié)三種。（1）風力機的定槳距調節(jié)與控制 定槳距失速調節(jié)一般用于恒速控制，其風力機的結構特點是：槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，當風速變化時，槳葉的

18、迎風角度不能隨之變化。在風速超過額定風速后利用槳葉翼型本身的失速特性，維持發(fā)電機組的輸出功率在額定值附近。 在流體力學中，失速是指翼型氣動攻角增加到一定程度（達到臨界值）時，翼型所產生的升力突然減小的一種狀態(tài)。翼型氣動迎角超過該臨界值之前，翼型的升力是隨迎角增加而遞增的；但是迎角超過該臨界值后，翼型的升力將遞減。 基本原理：當槳距角固定不變時，隨著風速的增加，增加到高于額定風速時，氣流的攻角 增大，氣流與翼型分離，上下翼面壓力差減小，致使阻力增加，升力減小，造成失速條件，其效率降低，從而達到限制功率的目的。 優(yōu)點：結構簡單、性能可靠、部件小、造價低。 缺點：機組的整體效率較低。 解決措施：采用

19、設計有兩個不同功率、不同極對數(shù)的雙速異步發(fā)電機。（2）風力機的變槳距調節(jié)與控制 變槳距風力機的整個葉片可以繞葉片中心軸旋轉，使葉片的攻角在一定范圍（090）變化，變槳距調節(jié)是指通過變槳距機構改變安裝在輪轂上的葉片槳距角的大小，使風輪葉片的槳距角隨風速的變化而變化，一般用于變速運行的風力發(fā)電機，主要目的是改善機組的起動性能和功率特性。 根據(jù)其作用可分為三個控制過程：起動時的轉速控制，額定轉速以下（欠功率狀態(tài)）的不控制和額定轉速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制。 起動時的轉速控制 變槳距風輪的槳葉在靜止時，槳距角為90，當風速達起動風速時，槳葉向0方向轉動，直到氣流對槳葉產生一定的攻角，風力機獲得

20、最大的起動轉矩，實現(xiàn)風力發(fā)電機的起動。 在發(fā)電機并入電網(wǎng)之前，給定變槳距系統(tǒng)一個轉速參考值，根據(jù)轉速參考值和反饋的轉速信號比較來調整槳距角，進行速度閉環(huán)控制。 額定轉速以下（欠功率狀態(tài)）的不控制 發(fā)電機并網(wǎng)后，當風速低于額定風速時，發(fā)電機運行于額定功率以下的低功率狀態(tài)，稱為欠功率狀態(tài)。 早期的變槳距風力發(fā)電機組對此狀態(tài)不作控制，控制器將葉片槳距角置于 附近，不作變化，發(fā)電機的功率根據(jù)葉片的氣動性能隨風速的變化而變化。 為了改善低風速時的槳葉性能，近幾年來，在并網(wǎng)運行的異步發(fā)電機上，利用新技術，根據(jù)風速的大小調整發(fā)電機的轉差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比上，以優(yōu)化功率輸出。 額定轉速以上（額定功

21、率狀態(tài)）的恒功率控制 當風速過高時，通過調整槳葉節(jié)距，改變氣流對葉片的攻角，使槳距角 向迎風面積減小的方向轉動一個角度，增大，功角 減小，如圖所示。從而改變風力發(fā)電機組獲得的空氣動力轉矩，使功率輸出保持在額定值附近，這時風力機在額定點的附近具有較高的風能利用因數(shù)。 2.2.3風力發(fā)電機及工作原理在由機械能轉換為電能的過程中，發(fā)電機及其控制器是整個系統(tǒng)的核心。獨立運行的風力發(fā)電機組中所用的發(fā)電機主要有直流發(fā)電機、永磁式交流發(fā)電機、硅整流自勵式交流發(fā)電機及電容式自勵異步發(fā)電機。并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機機組中使用的發(fā)電機主要有同步發(fā)電機、異步發(fā)電機、雙饋發(fā)電機、低速交流發(fā)電機、無刷雙饋發(fā)電機、交流整流子

22、發(fā)電機、高壓同步發(fā)電機及開關磁阻發(fā)電機等。1、獨立運行風力發(fā)電機組中的發(fā)電機 獨立運行的風力發(fā)電機一般容量較小，與蓄電池和功率變換器配合實現(xiàn)直流電和交流電的持續(xù)供給。獨立運行的交流風力發(fā)電系統(tǒng)結構如下圖所示。 （1）直流發(fā)電機 直流電機典型結構如圖示。直流發(fā)電機可直接將電能送給蓄電池蓄能，可省去整流器，隨著永磁材料的發(fā)展及直流發(fā)電機的無刷化，永磁直流發(fā)電機的功率不斷做大，性能大大提高，是一種很有發(fā)展前途的發(fā)電機。 （2）永磁式交流同步發(fā)電機 永磁式交流同步發(fā)電機的轉子上沒有勵磁繞組，因此無勵磁繞組的銅損耗，發(fā)電機的效率高；轉子上無集電環(huán)，發(fā)電機運行更可靠；采用釹鐵硼永磁材料制造的發(fā)電機體積小，

23、重量輕，制造工藝簡便，因此廣泛應用于小型及微型風力發(fā)電機中。（3）硅整流自勵式交流同步發(fā)電機 硅整流自勵式交流同步發(fā)電機一般帶有勵磁調節(jié)器，通過自動調節(jié)勵磁電流的大小，來抵消因風速變化而導致的發(fā)電機轉速變化對發(fā)電機端電壓的影響，延長蓄電池的使用壽命，提高供電質量。（4）電容自勵式異步發(fā)電機 電容自勵式異步發(fā)電機是在異步發(fā)電機定子繞組的輸出端接上電容，以產生超前于電壓的容性電流建立磁場，從而建立電壓。其電路示意圖如下圖所示。 2、并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組中所用的發(fā)電機 （1）異步發(fā)電機定子：三相繞組，可采用星形或三角形聯(lián)結。 轉子：繞組為籠型或繞線型。采用定子繞組上并接電容器來提供無功電流建立磁場

24、，發(fā)電機轉子的轉速略高于旋轉磁場的同步轉速，并且恒速運行。 通常，處于并網(wǎng)運行的較大容量異步發(fā)電機的轉子轉速一般在（11.05）ns 之間。風力異步發(fā)電機并入電網(wǎng)運行時，只要發(fā)電機轉速接近同步轉速就可以并網(wǎng)，對機組的調速要求不高，不需要同步設備和整步操作。異步發(fā)電機的輸出功率與轉速近似成線性關系，可通過轉差率來調整輸出。（2）同步發(fā)電機a. 普通同步發(fā)電機定子：定子鐵心和三相繞組。 轉子：轉子鐵心、轉子繞組、集電環(huán)、轉子軸等組成； 有隱極式和凸極式兩種。凸極式同步發(fā)電機結構簡單、制造方便，一般用于低 速發(fā)電場合。隱極式同步發(fā)電機結構均勻對稱，轉子機械強度高，可用于高速發(fā)電。轉子上的勵磁繞組經(jīng)集

25、電環(huán)、電刷與直流電源相連，通以直流勵磁電流來建立磁場。工作原理：同步發(fā)電機在風力機的拖動下，轉子以轉速n旋轉，旋轉的轉子磁場切割定子上的三相繞組，在定子繞組中產生頻率為f1的三相對稱的感應電動勢和電流輸出，從而將機械能轉化為電能。當發(fā)電機的轉速一定時，同步發(fā)電機的頻率穩(wěn)定，電能質量高；同步發(fā)電機運行時可通過調節(jié)勵磁電流來調節(jié)功率因數(shù)，既能輸出有功功率，也可提供無功功率，因此被電力系統(tǒng)廣泛接受。 在風力發(fā)電中，由于風速的不定性使得發(fā)電機獲得不斷變化的機械能，給風力機造成沖擊和高負載，對風力機及整個系統(tǒng)不利。為了維持發(fā)電機發(fā)出的電能頻率與電網(wǎng)頻率始終相同，發(fā)電機的轉速必須恒定，這就要求風力機有精確

26、的調速機構，以保證風速變化時維持發(fā)電機的轉速不變，即等于同步轉速。（3）雙饋異步發(fā)電機雙饋異步發(fā)電機是當今最有發(fā)展前途的一種發(fā)電機，其結構是由一臺帶集電環(huán)的繞線轉子異步發(fā)電機和變頻器組成，變頻器有交交變頻器、交直交變頻器及正弦波脈寬調制雙向變頻器三種。雙饋異步發(fā)電機工作原理：異步發(fā)電機中定、轉子電流產生的旋轉磁場始終是相對靜止的，當發(fā)電機轉速變化而頻率不變時，發(fā)電機轉子的轉速和定、轉子電流的頻率關系可表示為：式中 f1定子電流的頻率（Hz），f1=pn1/60，n1 為同步轉速； p發(fā)電機的極對數(shù)； n轉子的轉速（r/min）； f2轉子電流的頻率（Hz），因f2=sf1，故f2又稱為轉差頻率

27、。根據(jù)雙饋異步發(fā)電機轉子轉速的變化，雙饋異步發(fā)電機可以有三種運行狀態(tài)： 1）亞同步運行狀態(tài)。此時n0，頻率為f2的轉子電流產生的旋轉磁場的轉速與轉子轉速同方向，功率流向如圖所示。2）超同步運行狀態(tài)。此時nn1，轉差率s0，轉子中的電流相序發(fā)生了改變，頻率為f2的轉子電流產生的旋轉磁場的轉速與轉子轉速反方向，功率流向如圖所示。 3）同步運行狀態(tài)。此時n=n1，f2=0，轉子中的電流為直流，與同步發(fā)電機相同。 雙饋異步發(fā)電機的轉子通過雙向變頻器與電網(wǎng)連接，可實現(xiàn)功率的雙向流動，功率變換器的容量小，成本低；既可以亞同步運行，也可以超同步運行，因此調速范圍寬；可跟蹤最佳葉尖速，實現(xiàn)最大風能捕獲；可對有

28、功功率和無功功率進行控制，提高功率因數(shù)；能吸收陣風能量，減小轉矩脈動和輸出功率的波動，因此電能質量高，是目前很有發(fā)展?jié)摿Φ淖兯俸泐l發(fā)電機。 （4）無刷雙饋異步發(fā)電機 無刷雙饋異步發(fā)電機(Brushless DoublyFed Machine，簡稱BDFM)的基本原理與雙饋異步發(fā)電機相同，不同之外是取消了電刷和集電環(huán)，系統(tǒng)運行的可靠性增大，但系統(tǒng)體積也相應增大，常用的有級聯(lián)式和磁場調制型兩種類型。 （5）開關磁阻發(fā)電機 開關磁阻發(fā)電機又稱為雙凸極式發(fā)電機（簡稱SRG），定、轉子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成，定子極數(shù)一般比轉子的極數(shù)多，轉子上無繞組，定子凸極上安放有彼此獨立的集中繞組，徑向獨立的兩

29、個繞組串聯(lián)起來構成一相。 3、風力發(fā)電機組的控制策略（1）風力發(fā)電機組的恒速恒頻控制策略 在風力發(fā)電中，當風力發(fā)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)時，要求風電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即保持頻率恒定。恒速恒頻即在風力發(fā)電過程中，保持風車的轉速(也即發(fā)電機的轉速)不變，從而得到恒頻的電能。 目前，在風力發(fā)電系統(tǒng)中采用的異步發(fā)電機多屬于恒速恒頻發(fā)電機組。為了適應大小風速的要求，一般采用兩臺不同容量、不同極數(shù)的異步發(fā)電機，風速低時用小容量發(fā)電機發(fā)電，風速高時則用大容量發(fā)電機發(fā)電。但這也只能使異步發(fā)電機在兩個風速下具有較佳的輸出系數(shù)，無法有效地利用不同風速時的風能。（2）風力發(fā)電機組的變速恒頻控制策略 在風力發(fā)電過程

30、中讓風車的轉速隨風速而變化，而通過其它控制方式來得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的基本控制策略一般確定為： 低于額定風速時，跟蹤最大風能利用系數(shù)，以獲得最大能量； 高于額定風速時，跟蹤最大功率，并保持輸出功率穩(wěn)定。變速恒頻風力發(fā)電機組的調節(jié)控制過程： (1) 起動時通過調節(jié)槳距角控制發(fā)電機的轉速，使發(fā)電機轉速在同步轉速附近，尋找最佳時機并網(wǎng)； (2) 并網(wǎng)后，在額定風速以下，通過調節(jié)發(fā)電機的電磁制動轉矩使發(fā)電機轉子的轉速跟隨風速的變化，保持最佳葉尖速比，確保風能的最大捕獲，表現(xiàn)為跟蹤控制問題； (3) 在額定風速以上，采用發(fā)電機轉子變速和槳葉節(jié)距雙重調節(jié)，利用風輪轉速的變化

31、，存貯或釋放部分能量，限制風力機獲取能量，提高傳動系統(tǒng)的柔性，使風力發(fā)電機保持在額定值下發(fā)電，保證發(fā)電機輸出功率的更加平穩(wěn)。雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 4、風力機偏航系統(tǒng)的調節(jié)與控制主要功能：一是使風輪跟蹤方向的變化，利于最大風能捕獲； 二是當機艙的電纜發(fā)生纏繞時自動解纜。一般在風輪的前部或者機艙一側，裝有風向儀，當風輪的主軸與風向儀指向偏離時，控制器開始計時，這種方向偏差達到一定時間后，控制器控制偏航電機或者偏航液壓馬達將風輪調整到與風向一致的方向。偏航角度大小的檢測通過安裝在機艙內的角度編碼器實現(xiàn)。當緊急停車時，需要通過偏航調節(jié)使機艙經(jīng)過最短的路徑與風向成90度夾角。2.3 風力發(fā)

32、電機組的并網(wǎng)技術由于風能是一個不穩(wěn)定的能源，風力發(fā)電本身難以提供穩(wěn)定的電能輸出，因此風力發(fā)電必須采用儲能裝置或與其他發(fā)電裝置互補運行。2.3.1 同步風力發(fā)電機組的并網(wǎng)技術同步發(fā)電機的轉速和頻率之間有著嚴格不變的固定關系， 同步發(fā)電機在運行過程中，可通過勵磁電流的調節(jié)，實現(xiàn)無功功率的補償，其輸出電能頻率穩(wěn)定，電能質量高，因此在發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機也是應用最普遍的。1、同步風力發(fā)電機組的并網(wǎng)條件和并網(wǎng)方法（1）并網(wǎng)條件同步風力發(fā)電機組與電網(wǎng)并聯(lián)運行的電路如圖3-50所示，圖中同步發(fā)電機的定子繞組通過斷路器與電網(wǎng)相連，轉子勵磁繞組由勵磁調節(jié)器控制。同步風力發(fā)電機組并聯(lián)到電網(wǎng)時，為防止過大的電流沖

33、擊和轉矩沖擊，風力發(fā)電機輸出的各相端電壓的瞬時值要與電網(wǎng)端對應相電壓的瞬時值完全一致。波形相同；幅值相同；頻率相同；相序相同；相位相同。在并網(wǎng)時，因風力發(fā)電機旋轉方向不變，只要使發(fā)電機的各相繞組輸出端與電網(wǎng)各相互相對應，條件就可以滿足；而條件可由發(fā)電機設計、制造和安裝保證；因此并網(wǎng)時，主要是其他三條的檢測和控制，這其中第條頻率相同是必須滿足的條件。 （2）并網(wǎng)方法1）自動準同步并網(wǎng)滿足上述理想并聯(lián)條件的并網(wǎng)方式稱為準同步并網(wǎng)方式。在這種并網(wǎng)方式下，并網(wǎng)瞬間不會產生沖擊電流，電網(wǎng)電壓不會下降，也不會對定子繞組和其他機械部件造成沖擊。同步風力發(fā)電機組的起動與并網(wǎng)過程如下： 偏航系統(tǒng)根據(jù)風向傳感器測

34、量的風向信號驅動風力機對準風向。 當風速達到風力機的起動風速時，槳距控制器調節(jié)葉片槳距角使風力機起動。 當發(fā)電機在風力機的帶動下轉速接近同步轉速時，勵磁調節(jié)器給發(fā)電機輸入勵磁電流，通過勵磁電流的調節(jié)使發(fā)電機輸出的端電壓與電網(wǎng)電壓相近。 在風力發(fā)電機的轉速幾乎達到同步轉速、發(fā)電機的端電壓與電網(wǎng)電壓的幅值大致相同和斷路器兩端的電位差為零或很小時，控制斷路器合閘并網(wǎng)。 風力同步發(fā)電機并網(wǎng)后通過自整步作用牽入同步，使發(fā)電機電壓頻率與電網(wǎng)一致。 以上的檢測與控制過程一般通過微機實現(xiàn)。2）自同步并網(wǎng) 同步發(fā)電機的轉子勵磁繞組先通過限流電阻短接，電機中無勵磁磁場。 用原動機將發(fā)電機轉子拖到同步轉速附近（差值

35、小于5%）時，將發(fā)電機并入電網(wǎng)，再立刻給發(fā)電機勵磁，在定、轉子之間的電磁力作用下，發(fā)電機自動牽入同步。 由于發(fā)電機并網(wǎng)時，轉子繞組中無勵磁電流，因而發(fā)電機定子繞組中沒有感應電勢，不需要對發(fā)電機的電壓和相角進行調節(jié)和校準，控制簡單，并且從根本上排除不同步合閘的可能性。 這種并網(wǎng)方法的缺點是合閘后有電流沖擊和電網(wǎng)電壓的短時下降現(xiàn)象。2、同步風力發(fā)電機組的功率調節(jié)與補償（1）有功功率的調節(jié)風力同步發(fā)電機中，風力機輸入的機械能首先克服機械阻力，通過電機內部的電磁作用轉化為電磁功率，電磁功率扣除電機繞組的銅損耗和鐵損耗后即為輸出的電功率，若不計銅損耗和鐵損耗，可認為輸出功率近似等于電磁功率。 同步發(fā)電機

36、內部的電磁作用可以看成是轉子勵磁磁場和定子電流產生的同步旋轉磁場之間的相互作用。 功率角： 轉子勵磁磁場軸線與定、轉子合成磁場軸線之間的夾角； 失步功率（極限功率）：對于隱極機而言，功率角為90（凸極機功率角小于90）時，輸出功率的最大功率。風力機輸入的機械功率 Pem勵磁不作調節(jié)，達到最大功率后，如果風力機輸入的機械功率繼續(xù) 90，Pem轉速持續(xù)上升而失去同步。這時可以增大勵磁電流，以增大功率極限，提高靜態(tài)穩(wěn)定度，這就是有功功率的調節(jié)。（2）無功功率的補償發(fā)電機的輸出電壓下降的原因：1）電網(wǎng)所帶的負載大部分為感性的異步電動機和變壓器，這些負載需要從電網(wǎng)吸收有功功率和無功功率，整個電網(wǎng)要是提供

37、的無功功率不夠，電網(wǎng)的電壓會下降。2）同步發(fā)電機帶感性負載時，由于定子電流建立的磁場對電機中的勵磁磁場有去磁作用，發(fā)電機的輸出電壓也下降。為了維持發(fā)電機的端電壓穩(wěn)定和補償電網(wǎng)的無功功率，需增大同步發(fā)電機的轉子勵磁電流。同步發(fā)電機的無功功率補償可用其定子電流I和勵磁電流If之間的關系曲線來解釋。在輸出功率P2一定的條件下，同步發(fā)電機的定子電流I和勵磁電流If之間的關系曲線也稱為V型曲線。 3、帶變頻器的風力同步發(fā)電機組的并網(wǎng)恒速恒頻的風力發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機和電網(wǎng)之間為“剛性連接”，發(fā)電機輸出頻率完全取決于原動機的轉速，并網(wǎng)之前發(fā)電機必須經(jīng)過嚴格的整步和（準）同步，并網(wǎng)后也必須保持轉速恒定，因

38、此對控制器的要求高，控制器結構復雜。在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機的定子繞組通過變頻器與電網(wǎng)相連接。 當風速變化時，為實現(xiàn)最大風能捕獲，風力機和發(fā)電機的轉速隨之變化，發(fā)電機發(fā)出的為變頻交流電，通過變頻器轉化后獲得恒頻交流電輸出，再與電網(wǎng)并聯(lián)。 由于同步發(fā)電機與電網(wǎng)之間通過變頻器相連接，發(fā)電機的頻率和電網(wǎng)的頻率彼此獨立，并網(wǎng)時一般不會發(fā)生因頻率差而產生的較大的電流沖擊和轉矩沖擊，并網(wǎng)過程比較平穩(wěn)。 缺點是電力電子裝置價格較高、控制較復雜，同時非正弦逆變器在運行時產生的高頻諧波電流流入電網(wǎng)，將影響電網(wǎng)的電能質量。2.3.2 異步風力發(fā)電機組的并網(wǎng)技術 異步發(fā)電機具有結構簡單、價格低廉、可靠性

39、高、并網(wǎng)容易、無失步現(xiàn)象等優(yōu)點，在風力發(fā)電系統(tǒng)中應用廣泛。但其主要缺點是需吸收20%30%額定功率的無功電流以建立磁場，為提高功率因數(shù)必須另加功率補償裝置。1、異步風力發(fā)電機組的并網(wǎng)風力異步發(fā)電機組的并網(wǎng)方式主要有三種：直接并網(wǎng)、降壓并網(wǎng)和通過晶閘管軟并網(wǎng)。（1）直接并網(wǎng) 風力異步發(fā)電機組的直接并網(wǎng)的條件有兩條：一是發(fā)電機轉子的轉向與旋轉磁場的方向一致，即發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同；二是發(fā)電機的轉速盡可能接近于同步轉速。并網(wǎng)時發(fā)電機的轉速與同步轉速之間的誤差越小，并網(wǎng)時產生的沖擊電流越小，衰減的時間越短。當風力機在風的驅動下起動后，通過增速齒輪將異步發(fā)電機的轉子帶到同步轉速附近（一般為98%

40、100%）時，測速裝置給出自動并網(wǎng)信號，通過自動空氣開關完成合閘并網(wǎng)過程。 并網(wǎng)簡單，但并網(wǎng)過程中會產生沖擊電流，引起電網(wǎng)電壓下降。因此，只適用于異步發(fā)電機容量在百kW級以下且電網(wǎng)容量較大的場合。 （2）降壓并網(wǎng)降壓并網(wǎng)是在發(fā)電機與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器或者接入自耦變壓器，以降低并網(wǎng)時的沖擊電流和電網(wǎng)電壓下降的幅度，發(fā)電機穩(wěn)定運行時，將接入的電阻等元件迅速從線路中切除，以免消耗功率。這種并網(wǎng)方式的經(jīng)濟性較差，適用于百KW級以上，容量較大的機組。（3）晶閘管軟并網(wǎng)晶閘管軟并網(wǎng)是在異步發(fā)電機的定子和電網(wǎng)之間通過每相串入一只雙向晶閘管，通過控制晶閘管的導通角來控制并網(wǎng)時的沖擊電流，從而得到一個平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過程。其并網(wǎng)過程