電機學chap13_風力發(fā)電機課件

1、 風力發(fā)電機13.風力發(fā)電機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機一、風力發(fā)電概述風力發(fā)電具有清潔、無污染、運行成本低、建設(shè)周期短、控制靈活方便等優(yōu)點，是發(fā)展新能源和可再生能源的重點領(lǐng)域。 風力發(fā)電系統(tǒng)主要包括風機、發(fā)電機、功率變換器和控制器等，發(fā)電機及其變流器控制系統(tǒng)負責機械能到風能的轉(zhuǎn)換和變換，是風力發(fā)電機組的核心部件。根據(jù)發(fā)電機類型，主流風力發(fā)電機系統(tǒng)可分為直驅(qū)式永磁風力發(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”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機一、風力發(fā)電概述圖13-1 直驅(qū)式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機一、風力發(fā)電

2、概述圖13-2 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機二、直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機圖13-3 直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機組永磁電機作為主發(fā)電機，具有結(jié)構(gòu)簡單，無勵磁損耗、維護工作少、功率密度高等優(yōu)點。直驅(qū)式結(jié)構(gòu)中發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸與風力機直接相連，電機轉(zhuǎn)速由風速決定往往較低。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機二、直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖13-4 直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定、轉(zhuǎn)子之間為氣隙。電機定子包括鐵心和繞組，繞組為三相對稱繞組，各相繞組軸線空間相差120角度。電機轉(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”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機二、直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖13-4 直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由永磁體在氣隙中建立旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場切割電機電樞繞組，并在繞組中產(chǎn)生感應電動勢，對外輸出交流電。交流電的頻率由電機轉(zhuǎn)速和極對數(shù)決定。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機二、直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)類型圖13-5 徑向磁通永磁風力發(fā)電機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”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機二、直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)類型圖13-6 軸向磁通永磁風力發(fā)電

4、機圖13-7 橫向磁通永磁風力發(fā)電機普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機二、直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機運行特性忽略電機內(nèi)的磁場飽和和鐵心損耗的影響。1.相量圖 圖13-8 直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機的相量圖a）阻感負載 b）阻容負載13.風力發(fā)電機二、直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機運行特性2.等效電路 圖13-9 直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機的等效電路普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機二、直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機運行特性3.電動勢波形 電壓波形畸變率普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機二、直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機運行特性4.數(shù)學模型 普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)

5、電機二、直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機運行特性5.特性 圖13-10 直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機的外特性曲線普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機二、直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機運行特性5.特性圖13-11 直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機的特性曲線采用id等于零控制策略控制直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機運行時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”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機二、直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機永磁材料1.磁滯回線描述永磁材料磁化過程特點和磁特性的曲線。磁滯回線的面積取決于最大充磁磁場強度的大小，當該磁場強度接近或超過飽和磁場強度Hs時，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。退磁曲線上磁場強度為零時對應的磁感應強度值稱為剩余磁感應強度。退磁曲線上磁感應強度為零時對應的磁場強度值稱為磁感應強度矯頑力。圖13-12永磁材料的磁滯回線普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機二、直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機永磁材料2.磁回復線當磁場強度單方向變化時，用退磁曲線表示磁通密度和磁場強度的關(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，稱該直線為回復線。圖13-13永磁材料的磁回復線普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機三、雙饋式異步風力發(fā)電機圖13-14 雙饋式異步風力發(fā)電機雙饋式異步發(fā)電機的定子接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子接交流

7、勵磁變換器，定子、轉(zhuǎn)子都參與饋電，所以被稱之為“雙饋”發(fā)電機。雙饋式異步發(fā)電機采用交流勵磁，改變勵磁電流的頻率可實現(xiàn)變速恒頻運行，改變勵磁電流的相位可控制轉(zhuǎn)子磁場的空間位置，改變發(fā)電機輸出電勢與電網(wǎng)電壓間的相對位置，調(diào)節(jié)發(fā)電機的功率角。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機三、雙饋式異步風力發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)雙饋式異步發(fā)電機主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，其定子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)感應電機定子相同，包括鐵心和三相電樞繞組。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與感應電機和同步電機相似但略有不同，雙饋式異步發(fā)電機轉(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，勵磁電源的頻率對轉(zhuǎn)子的速度有決定作用。圖13-15 雙饋式

8、異步風力發(fā)電機繞組的鏈接方式普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機三、雙饋式異步風力發(fā)電機運行原理雙饋式異步發(fā)電機同時具有異步電機和同步電機的某些特性。根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的不同，雙饋發(fā)電機有如下三種運行狀態(tài)：1）亞同步運行狀態(tài)：此時n0，頻率為f2的轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向相同，勵磁變換器從電網(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 亞同步運行狀態(tài)時的功率流向普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機三、雙饋式異步風力發(fā)電機運行原理2）超同步運行狀態(tài)：此時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)磁場方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向相反。轉(zhuǎn)子繞組通過勵磁變換器向電網(wǎng)輸出轉(zhuǎn)差功率，即轉(zhuǎn)子輸入電功率為負值，定轉(zhuǎn)子同時發(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的絕對值）Pem，大于Pem。圖13-17 超同步運行狀態(tài)時的功率流向普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機三、雙饋式異步風力發(fā)電機運行原理3）同步運行狀態(tài)：此時n =ns, f2為零，轉(zhuǎn)子中的電流為直流，電網(wǎng)與轉(zhuǎn)子繞組之間無功率交換，勵磁變換器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁，此時可等效為同步發(fā)電機。普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機三、雙饋式異步風力發(fā)電機基本方程1.假定條件2.基本方程普通高等教育“

10、十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機三、雙饋式異步風力發(fā)電機等效電路圖13-18 雙饋式異步發(fā)電機的等效電路圖普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機三、雙饋式異步風力發(fā)電機相量圖圖13-19 雙饋式異步發(fā)電機的相量圖a）亞同步運 b）超同步運行普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材13.風力發(fā)電機三、雙饋式異步風力發(fā)電機運行控制圖13-20 雙饋式異步發(fā)電機的運行區(qū)間雙饋式異步發(fā)電機的運行可以分為起動階段、并網(wǎng)階段和恒功率階段。12段對應切入風速，s為切入風速，23段對應并網(wǎng)階段的變速運行區(qū)域，而34段對應并網(wǎng)階段的恒速運行區(qū)域，n為額定速度，45段對應恒功率階段。普通高等教育“十一五