第一講_風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng)

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng)湖南大學(xué)電機(jī)系講義(2011年版)黃 科 元風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng)主要內(nèi)容 緒論 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其分類 典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)緒論緒論緒論風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)機(jī)艙輪轂槳葉調(diào)槳系統(tǒng)偏航系統(tǒng)齒輪箱發(fā)電機(jī)底座塔筒控制柜風(fēng)力機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率特性 風(fēng)輪的功率風(fēng)輪的功率 風(fēng)能轉(zhuǎn)換率風(fēng)能轉(zhuǎn)換率 葉尖速比葉尖速比VRTSRm),(TSRfCppCAVP321TSR: Tip Speed Rate風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其分類 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類：按風(fēng)輪槳葉分類 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類：按風(fēng)輪轉(zhuǎn)速分類 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類：按傳動機(jī)構(gòu)分類 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類：按發(fā)電機(jī)分類 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類：按并網(wǎng)方式分類 定槳定速

2、 vs.變槳變速：輸出功率比較風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類按風(fēng)輪槳葉分類： 失速型： 高風(fēng)速時，因槳葉形狀或因葉尖處的擾流器動作，限制風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與功率； 變槳型： 高風(fēng)速時通過調(diào)整槳距角，限制輸出轉(zhuǎn)矩與功率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類按風(fēng)輪轉(zhuǎn)速分類： 定速型： 風(fēng)輪保持一定轉(zhuǎn)速運行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率較低，與恒速發(fā)電機(jī)對應(yīng)； 變速型： （1）雙速型：可在兩個設(shè)定轉(zhuǎn)速運行，改善風(fēng)能轉(zhuǎn)換率，與雙速發(fā)電機(jī)對應(yīng)； （2）連續(xù)變速型：在一段轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，可捕捉最大風(fēng)能功率，與變速發(fā)電機(jī)對應(yīng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類按傳動機(jī)構(gòu)分類： 齒輪箱升速型： 用齒輪箱連接低速風(fēng)力機(jī)和高速發(fā)電機(jī)； （減小發(fā)電機(jī)體積重量，降低電氣系統(tǒng)成本

3、） 直驅(qū)型： 直接連接低速風(fēng)力機(jī)和低速發(fā)電機(jī)。 （避免齒輪箱故障）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類按發(fā)電機(jī)分類： 異步型： （1）籠型單速異步發(fā)電機(jī)； （2）籠型雙速變極異步發(fā)電機(jī)； （3）繞線式雙饋異步發(fā)電機(jī)； 同步型： （1）電勵磁同步發(fā)電機(jī)； （2）永磁同步發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類按并網(wǎng)方式分類： 并網(wǎng)型： 并入電網(wǎng)，可省卻儲能環(huán)節(jié)。 離網(wǎng)型： 一般需配蓄電池等直流儲能環(huán)節(jié)，可帶交、直流負(fù)載?；蚺c柴油發(fā)電機(jī)、光伏電池并聯(lián)運行。定槳定速 vs.變槳變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率的比較典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 定速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流受控的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流混合控制的異

4、步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 變速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 電勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 混合勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)定速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)三相籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)定子鐵心定子鐵心轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組（端環(huán)）（端環(huán)）機(jī)座機(jī)座轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心定子繞組定子繞組風(fēng)扇風(fēng)扇端蓋端蓋籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理 向?qū)ΨQ的三相繞組中通入對稱三相交流電流，可以產(chǎn)向?qū)ΨQ的三相繞組中通入對稱三相交流電流，可以產(chǎn)生一個行波磁場。生一個行波磁場。 如果三相繞組分布在一個圓周上，則行波磁場作旋轉(zhuǎn)如果三相繞組分布在一個圓周上，則行波磁場作旋轉(zhuǎn)運動，

5、即旋轉(zhuǎn)磁場。運動，即旋轉(zhuǎn)磁場。 旋轉(zhuǎn)磁場在一個圓周內(nèi)，呈現(xiàn)出的磁極（旋轉(zhuǎn)磁場在一個圓周內(nèi)，呈現(xiàn)出的磁極（N、S極）數(shù)極）數(shù)目稱為極數(shù)，用目稱為極數(shù)，用2P表示。表示。 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向取決于三相電流的相序，轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向取決于三相電流的相序，轉(zhuǎn)速n1取決取決于電流的頻率于電流的頻率 f 和極對數(shù)和極對數(shù) P：160 fnP 同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理AXZBCYSn1Nffne, iT f 產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T 定子三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，以同步轉(zhuǎn)速定子三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，以同步轉(zhuǎn)速n1 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) 在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 e e 在轉(zhuǎn)子繞

6、組中產(chǎn)生感應(yīng)電流在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流 i i 在磁場中產(chǎn)生電磁力在磁場中產(chǎn)生電磁力f 若轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速若轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速nn1, 向向n1的方向旋轉(zhuǎn)的方向旋轉(zhuǎn) n 是否會等于是否會等于 n1？要產(chǎn)生要產(chǎn)生T，必須，必須nn1 異步異步機(jī)械能機(jī)械能 電能電能，是，是發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速， 發(fā)電！發(fā)電！籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理籠型異步發(fā)電機(jī)籠型異步發(fā)電機(jī) 中中轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率S 與運行狀態(tài)的關(guān)系與運行狀態(tài)的關(guān)系? 把同步轉(zhuǎn)速把同步轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的差與同步轉(zhuǎn)速的差與同步轉(zhuǎn)速n1的比值，稱為的比值，稱為轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率，用，用s表示，即表示，即1

7、1nnsn 異步電機(jī)的特點之一是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速異步電機(jī)的特點之一是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n和定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)和定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速速n1不同。不同。n(1s)n1則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n可表示為：可表示為：籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理SNn1TnSNn1Tn用轉(zhuǎn)差率用轉(zhuǎn)差率s可以表示異步電機(jī)的運行狀態(tài)可以表示異步電機(jī)的運行狀態(tài)!nn10s00nn10s101n10ns籠型異步發(fā)電機(jī)的等值電路2R2jXjX1R1RmjXm1U1E1I= =2E2I0I21Rss一相等值電路一相等值電路定子漏阻抗、轉(zhuǎn)子漏阻抗（折合）、勵磁阻抗定子漏阻抗、轉(zhuǎn)子漏阻抗（折合）、勵磁阻抗轉(zhuǎn)子可變電阻反映發(fā)電機(jī)的負(fù)載狀況轉(zhuǎn)子可變電阻反映

8、發(fā)電機(jī)的負(fù)載狀況籠型異步發(fā)電機(jī)的功率表述R1jX1RmjXm2R2jX21RssPmpCu2pCu1pFeP1PM1U1I0I2I12EE111 11cosPm U I定子輸出功率：定子輸出功率：定、轉(zhuǎn)子銅損耗：定、轉(zhuǎn)子銅損耗：2Cu11 11pm I R2Cu21 22pm IR21 221msPm IRs機(jī)械輸入功率：機(jī)械輸入功率：電磁功率：電磁功率：221222222212coscosMRPm E Im E Im Is 2Fe1 0mpm I R鐵損耗：鐵損耗：籠型異步發(fā)電機(jī)的功率流程圖R1jX1RmjXm2jX21Rss2I12EE1U1I0IP1pCu1pFepCu2PMPm2/Rs

9、pm+ paP22R籠型異步發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性曲線TTmsnTmn101 0發(fā)電機(jī)電動機(jī)電磁制動Smax221122211122 ()() Rm pUsTRfRXXs電磁轉(zhuǎn)矩：電磁轉(zhuǎn)矩：電動機(jī)狀態(tài)：電動機(jī)狀態(tài)： 0nn1 ，0s1發(fā)電機(jī)狀態(tài)：發(fā)電機(jī)狀態(tài)： 0n1n ，s0軟特性軟特性 vs. 硬特性硬特性籠型異步發(fā)電機(jī)的運行特點（1）發(fā)電機(jī)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(jī)，并在機(jī)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(fù)載區(qū)效率較高，希望發(fā)電機(jī)的效率曲線平坦；（3）風(fēng)速不穩(wěn)，易受沖擊機(jī)械應(yīng)力，希望發(fā)電機(jī)有較軟的機(jī)械特性曲線，max絕對值要大 ；（4）并網(wǎng)瞬間與

10、電動機(jī)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； 典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 定速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流受控的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流混合控制的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 變速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 電勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 混合勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子電流受控的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)(Rotor Current Control， RCC) 定義： 轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)是指通過電力電子開關(guān)和脈寬調(diào)制（PWM）來控制繞線型異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的一項技術(shù)。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征：（1）采用

11、變槳風(fēng)力機(jī)；（2）采用繞線型異步發(fā)電機(jī)，但沒有滑環(huán)；（3）采用旋轉(zhuǎn)開關(guān)器件斬波控制轉(zhuǎn)子電流，動態(tài)調(diào)整發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性。轉(zhuǎn)子電流受控的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)(Rotor Current Control， RCC)轉(zhuǎn)子采用類似于定子的三相交流繞組，一般接成Y接；轉(zhuǎn)子三相繞組可在轉(zhuǎn)子內(nèi)部聯(lián)接，也可經(jīng)滑環(huán)電刷裝置將轉(zhuǎn)子三相繞組端接線引出；轉(zhuǎn)子三相繞組的端接線在轉(zhuǎn)子內(nèi)部短接時，發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性類似于籠型異步發(fā)電機(jī)；外接附加電阻時，機(jī)械特性變軟。sm2RsRs2T10smn0n1sTmRs0固有機(jī)械特性TsRs增增大大sm1RsRs1轉(zhuǎn)子電流受控的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)(Rotor Current Control

12、， RCC) 三相三相繞線型繞線型異步電動機(jī)的參異步電動機(jī)的參數(shù)和數(shù)和U1、f1一定，轉(zhuǎn)子每相中一定，轉(zhuǎn)子每相中串入附加電阻串入附加電阻Rs Rs時：時： Tm不變，不變， |smax| ， Tf (s)更傾斜更傾斜轉(zhuǎn)子電流受控的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)(Rotor Current Control， RCC)轉(zhuǎn)子電流斬波控制電路：原理： 控制附加電阻的接入時間，從而控制轉(zhuǎn)子電流RCC異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點優(yōu)點：（1）風(fēng)速變化引起風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩脈動的低頻分量由變槳調(diào)速機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，其高頻分量由RCC調(diào)節(jié)，可明顯減輕槳葉應(yīng)力，平滑輸出電功率;（2）利用風(fēng)輪作為慣性儲能元件，吞吐伴隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化形成的動能，提高風(fēng)

13、能利用率；（3）電力電子主回路結(jié)構(gòu)簡單，不需要大功率電源。缺點： 旋轉(zhuǎn)電力電子開關(guān)電路檢修、更換困難。典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 定速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流受控的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流混合控制的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 變速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 電勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 混合勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)主回路構(gòu)成： 雙饋異步發(fā)電機(jī) 交直交雙向功率變換器雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)國產(chǎn)1MW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)雙饋異步發(fā)電機(jī)繞線型轉(zhuǎn)子三相異步發(fā)電機(jī)的一種；定子繞組直接

14、接入交流電網(wǎng)；轉(zhuǎn)子繞組端接線由三只滑環(huán)引出，接至一臺雙向功率變換器；轉(zhuǎn)子繞組通入變頻交流勵磁；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時也可運行于發(fā)電狀態(tài)；定子繞組端口并網(wǎng)后始終發(fā)出電功率；但轉(zhuǎn)子繞組端口電功率的流向取決于轉(zhuǎn)差率；雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)基于IGBT和DSP技術(shù)的國產(chǎn) 600kW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)交直交雙向功率變換器雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)交直交雙向功率變換器兩套PWM控制型三相開關(guān)橋“背靠背”，中間存在電容支撐的直流母線；在任一時刻，一套三相橋處于脈沖整流狀態(tài)；而另一套處于逆變狀態(tài)；發(fā)電機(jī)側(cè)三相開關(guān)橋采用定子磁場定向矢量控制和空間電壓矢量PWM控制方法；電網(wǎng)側(cè)三相開關(guān)橋采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制和

15、空間電壓矢量PWM控制方法；可實現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出的有功和無功功率解耦控制。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運行原理引入轉(zhuǎn)子交流勵磁變流器，控制轉(zhuǎn)子電流；轉(zhuǎn)子電流的頻率為轉(zhuǎn)差頻率，跟隨轉(zhuǎn)速變化；通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的相位，控制轉(zhuǎn)子磁場領(lǐng)先于由電網(wǎng)電壓決定的定子磁場，從而在轉(zhuǎn)速高于和低于同步轉(zhuǎn)速時都能保持發(fā)電狀態(tài)；通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的幅值，可控制發(fā)電機(jī)定子輸出的無功功率；轉(zhuǎn)子繞組參與有功和無功功率變換，為轉(zhuǎn)差功率，容量與轉(zhuǎn)差率有關(guān)（約為全功率的S倍）。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的等值電路S0 時時S0 時，右邊的轉(zhuǎn)子支路轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€電流源。時，右邊的轉(zhuǎn)子支路轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€電流源。定子磁場定向矢量控制將定轉(zhuǎn)子電壓、電流和磁鏈各量投影到

16、由定子磁場確定的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的方法。雙饋發(fā)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)速關(guān)系雙饋發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流關(guān)系雙饋發(fā)電機(jī)負(fù)載電流曲線02004006008001000120002004006008001000120014001600負(fù)載功率(kW)電流(A)定子電流轉(zhuǎn)子電流雙饋發(fā)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)子電壓關(guān)系雙饋發(fā)電機(jī)的效率曲線雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點（1）連續(xù)變速運行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高；（2）部分功率變換，變流器成本相對較低；（3）電能質(zhì)量好（輸出功率平滑，功率因數(shù)高）；（4）并網(wǎng)簡單，無沖擊電流；（5）降低槳距控制的動態(tài)響應(yīng)要求；（6）改善作用于風(fēng)輪槳葉上機(jī)械應(yīng)力 狀況 ；（7）雙向變流器結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜

17、；（8）電刷與滑環(huán)間存在機(jī)械磨損。典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 定速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流受控的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流混合控制的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 變速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 電勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 混合勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子電流混合控制的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)1電網(wǎng)VT 1VT 3VT 5VT 4VT 6VT 2VT 7VT 85 多功能變換器8R4變壓裝置2雙饋電機(jī)3繞線轉(zhuǎn)子6 整流器7星點短接及保護(hù)裝置 混合控制雙饋斬波轉(zhuǎn)子電流混合控制的特點 優(yōu)點：（1）簡化了主回路結(jié)構(gòu)和控制策略，成本低

18、；（2）兼具雙饋控制和RCC控制的優(yōu)點。 缺點：（1）轉(zhuǎn)速范圍縮?。唬?）超同步速運行時，無功功率不可調(diào)，功率因數(shù)略低。典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 定速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流受控的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流混合控制的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 變速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 電勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 混合勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)變速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)gearboxbrakepitch driveinverterrectifierline coupling transformergrid sidebreaker

19、Yaw drivegenerator sidebreakerConverter(full rating)wind turbine controllerconverter controllerCage Induction generator 變速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)特點籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行于變速變頻發(fā)電狀態(tài)；運行于小轉(zhuǎn)差率范圍，發(fā)電機(jī)機(jī)械特性硬，運行效率高；發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓可調(diào)，輕載運行效率高；發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)被可控的變流器隔離，系統(tǒng)對電網(wǎng)波動的適應(yīng)性好；變流器與發(fā)電機(jī)功率容量相等，系統(tǒng)成本高。典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 定速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流受控的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

20、系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流混合控制的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 變速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 電勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 混合勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)電勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)發(fā)展同步發(fā)電機(jī)的必要性：同步發(fā)電機(jī)用作風(fēng)力發(fā)電機(jī)時，即可直接向交流負(fù)載供電，也可經(jīng)整流器變換為直流電，向直流負(fù)載供電。因此，同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)已成為中小容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的首選機(jī)型。近年來，在大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品中，同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)也已暫露頭角，有望成為未來的主力機(jī)型。 直接驅(qū)動同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)去除齒輪箱，直接驅(qū)動的理由： 由齒輪箱引起的風(fēng)電機(jī)組故障率高； 齒輪箱的運行維護(hù)工作量大，易

21、漏油污染； 系統(tǒng)的噪聲大，效率低，壽命 短。直驅(qū)帶來的問題： 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)矩大，體積重量明顯增大； 全功率整流逆變，變流器成本高。直接驅(qū)動同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)定子鐵心 定子繞組 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本工作原理同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本工作原理同步發(fā)電機(jī)原理：產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 風(fēng)力機(jī)拖著發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn) 速n1相對于定子沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)； 安放于定子鐵心槽內(nèi)的導(dǎo)體與轉(zhuǎn)子 上的主磁極之間發(fā)生相對運動 ； 根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，相對于磁 極運動（即切割磁力線）的導(dǎo)體中 將感應(yīng)出電動勢： 導(dǎo)體感應(yīng)電動勢的方向可用右手定則判斷 。Vlvbe同步風(fēng)

22、力發(fā)電機(jī)的基本工作原理同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本工作原理如果發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n1，單位為r/min，即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子每秒轉(zhuǎn)了n1/60圈，則定子導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢的頻率為：當(dāng)發(fā)電機(jī)的極對數(shù)p與轉(zhuǎn)速n1一定時，發(fā)電機(jī)內(nèi)感應(yīng)電動勢的頻率f就是固定的數(shù)值。 160pnfHz同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本工作原理同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本工作原理同步發(fā)電機(jī)原理： 產(chǎn)生電磁力 如果在同步發(fā)電機(jī)定子導(dǎo)體A中有電流流過，那么根據(jù)電磁作用力定律，導(dǎo)體A在主磁極的磁場作用下，將受到一個電磁力 ： 電磁力的方向可用左手定則判斷 。 Nfb li同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電動勢方程式同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電動勢方程式0jjddqqEUIRI XI X式中，式中

23、， Xd XsXad XqXsXaqXad 、Xaq 每相電樞繞組的直每相電樞繞組的直 軸、交軸電樞反應(yīng)電抗。軸、交軸電樞反應(yīng)電抗。Xd 、Xq 每相電樞繞組的直軸、每相電樞繞組的直軸、 交軸同步電抗。交軸同步電抗。UIjddI X0EjqqI XdIqIjqIXqE相量圖相量圖（忽略忽略R）同步發(fā)電機(jī)的空載特性同步發(fā)電機(jī)的空載特性 E0:定子一相感應(yīng)電動勢的有效值定子一相感應(yīng)電動勢的有效值空載特性空載特性 E0f ( if )if:轉(zhuǎn)子勵磁電流轉(zhuǎn)子勵磁電流0if (Ff )E0 空載特性空載特性反映了轉(zhuǎn)子勵磁反映了轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢產(chǎn)生磁場、并在定子磁動勢產(chǎn)生磁場、并在定子繞組中感應(yīng)電動勢的能力

24、繞組中感應(yīng)電動勢的能力。同步發(fā)電機(jī)的外特性同步發(fā)電機(jī)的外特性 外特性反映負(fù)載性質(zhì)不外特性反映負(fù)載性質(zhì)不同時，端電壓隨負(fù)載大小同時，端電壓隨負(fù)載大小變化而變化的情況。變化而變化的情況。 外特性：同步發(fā)電機(jī)在外特性：同步發(fā)電機(jī)在nnN ，ifconst，cos const的條件下，端電壓的條件下，端電壓U和負(fù)載電流和負(fù)載電流I 的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。 負(fù)載的負(fù)載的 cos 不同，不同，U 隨隨I 變化的趨勢有所不同。變化的趨勢有所不同。0IUINUNcos0.8cos1cos()0.8同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率 保 持 發(fā) 電 機(jī) 額 定 運 行 時保 持 發(fā) 電 機(jī) 額 定

25、運 行 時（UN、IN、cos N）的額定勵）的額定勵磁電流磁電流ifN和轉(zhuǎn)速不變，去掉和轉(zhuǎn)速不變，去掉全部負(fù)載后，空載電動勢為全部負(fù)載后，空載電動勢為E0 ，則，則電壓調(diào)整率電壓調(diào)整率為為0IUINE0UNif=ifN ,NcoscosU0NN%100%EUUU式中式中E0和和UN同為相值或線值。同為相值或線值。同步發(fā)電機(jī)的功角特性同步發(fā)電機(jī)的功角特性 電磁功率可用電樞感應(yīng)電動勢、電樞電磁功率可用電樞感應(yīng)電動勢、電樞電流及它們之間的夾角表示。對隱極同電流及它們之間的夾角表示。對隱極同步發(fā)電機(jī)（不計飽和）步發(fā)電機(jī)（不計飽和）: 00cosMqPmE ImE I22Cucos(cos)MPPpm

26、UImI RmI UIRUIjddI X0EjqqI XdIqIjqIXqE同步發(fā)電機(jī)的功角特性同步發(fā)電機(jī)的功角特性2011sinsin22MdqdE UUPmmXXX功角特性功角特性0PM90。180。勵磁電磁功率勵磁電磁功率磁阻電磁功率磁阻電磁功率 隱極同步發(fā)電機(jī)，最大電磁功率隱極同步發(fā)電機(jī)，最大電磁功率 出現(xiàn)在出現(xiàn)在 90 處。處。 凸極同步發(fā)電機(jī)，最大電磁功率凸極同步發(fā)電機(jī)，最大電磁功率 出現(xiàn)在出現(xiàn)在 90 處。處。gearboxbrakepitch drivemain inverter(full rating)wind turbine controlrectifierline cou

27、pling transformergrid sidebreakerYaw drivegenerator sidebreakerconverterconverter controllerSG AVR exciter電勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)電勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)特點：通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流，可保持發(fā)電機(jī)的端電壓恒定；定子繞組輸出電壓的頻率隨轉(zhuǎn)速變化；可采用不控整流和PWM逆變，成本較低；轉(zhuǎn)子可采用無刷旋轉(zhuǎn)勵磁；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，勵磁消耗電功率；體積大、重量重，效率稍低。典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 定速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流受控的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流混合控制的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 變速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 電勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 混合勵磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)永磁直接驅(qū)動同步