風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng)課件

風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng)代賢濤風(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)能轉(zhuǎn)換率葉尖速比TSR:TipSpeedRate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)輪槳葉分類按風(fēng)輪轉(zhuǎn)速分類按傳動機(jī)構(gòu)分類按發(fā)電機(jī)分類按并網(wǎng)方式分類風(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(shí)，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(shí)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(yùn)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(gè)設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)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）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(lì)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。或與柴油發(fā)電機(jī)、光伏電池并聯(lián)運(yùn)行。異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理Sn1Nffne,

iT

f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n1旋轉(zhuǎn)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e

e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f若轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n>n1,向n1的方向旋轉(zhuǎn)

n是否會等于

n1？要產(chǎn)生T，必須n≠n1——異步機(jī)械能

→電能，是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，發(fā)電！籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)定子鐵心轉(zhuǎn)子繞組（端環(huán)）機(jī)座轉(zhuǎn)子鐵心定子繞組風(fēng)扇端蓋籠型異步風(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)生一個(gè)行波磁場。如果三相繞組分布在一個(gè)圓周上，則行波磁場作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，即旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場在一個(gè)圓周內(nèi)，呈現(xiàn)出的磁極（N、S極）數(shù)目稱為極數(shù)，用2P表示。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向取決于三相電流的相序，轉(zhuǎn)速n1取決于電流的頻率f和極對數(shù)P：

旋轉(zhuǎn)磁場——同步轉(zhuǎn)速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理

轉(zhuǎn)差率籠型異步發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)差率S與運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)系?把同步轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的差與同步轉(zhuǎn)速n1的比值，稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示，即異步電機(jī)的特點(diǎn)之一是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n和定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n1不同。n＝(1－s)n1則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n可表示為：籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理異步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)電機(jī)狀態(tài)電動機(jī)狀態(tài)用轉(zhuǎn)差率s可以表示異步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)!n＞n1＞0s＜00＜n＜n10＜s＜101n10ns籠型異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)（1）發(fā)電機(jī)勵(lì)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(shí)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，Ｓmax絕對值要大；（4）并網(wǎng)瞬間與電動機(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(shí)并網(wǎng)，并加裝軟起動限流裝置；

轉(zhuǎn)子電流受控的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)(RotorCurrentControl，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(xiàng)技術(shù)。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征：（1）采用變槳風(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)(RotorCurrentControl，RCC)繞線型轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)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(shí)，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(shí)，機(jī)械特性變軟。RCC異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（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)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(diǎn)：旋轉(zhuǎn)電力電子開關(guān)電路檢修、更換困難。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)的運(yùn)行原理引入轉(zhuǎn)子交流勵(lì)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(shí)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)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(diǎn)（1）連續(xù)變速運(yùn)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；（8）電刷與滑環(huán)間存在機(jī)械磨損。轉(zhuǎn)子電流混合控制的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）簡化了主回路結(jié)構(gòu)和控制策略，成本低；（2）兼具雙饋控制和RCC控制的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)速范圍縮小；（2）超同步速運(yùn)行時(shí)，無功功率不可調(diào)，功率因數(shù)略低。變速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)gearboxbrakepitchdriveinverterrectifierlinecouplingtransformergridsidebreakerYawdrivegeneratorsidebreakerConverter(fullrating)windturbinecontrollerconvertercontrollerCageI