风力发电机及其系统(柴建云)

风力发电机及其系统清华大学电机系讲义(2005年版)柴建云[e-mail]电话:[phone]风力发电机及其系统主要内容绪论风力发电机组及其分类典型风力发电机系统绪论绪论绪论风力发电机组的内部结构机舱＋轮毂＋桨叶＋调桨系统＋偏航系统＋齿轮箱＋发电机＋底座＋塔筒＋控制柜风力机风能转换效率特性•风轮的功率•风能转换率•叶尖速比VRTSRm),(TSRfCppCAVP321TSR:TipSpeedRate风力发电机组及其分类•风力发电机组的分类：按风轮桨叶分类•风力发电机组的分类：按风轮转速分类•风力发电机组的分类：按传动机构分类•风力发电机组的分类：按发电机分类•风力发电机组的分类：按并网方式分类•定桨定速vs.变桨变速：输出功率比较风力发电机组的分类按风轮桨叶分类：•失速型：高风速时，因桨叶形状或因叶尖处的扰流器动作，限制风力机的输出转矩与功率；•变桨型：高风速时通过调整桨距角，限制输出转矩与功率。风力发电机组的分类按风轮转速分类：•定速型：风轮保持一定转速运行，风能转换率较低，与恒速发电机对应；•变速型：（1）双速型：可在两个设定转速运行，改善风能转换率，与双速发电机对应；（2）连续变速型：在一段转速范围内连续可调，可捕捉最大风能功率，与变速发电机对应。风力发电机组的分类按传动机构分类：•齿轮箱升速型：用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机；（减小发电机体积重量，降低电气系统成本）•直驱型：直接连接低速风力机和低速发电机。（避免齿轮箱故障）风力发电机组的分类按发电机分类：•异步型：（1）笼型单速异步发电机；（2）笼型双速变极异步发电机；（3）绕线式双馈异步发电机；•同步型：（1）电励磁同步发电机；（2）永磁同步发电机。风力发电机组的分类按并网方式分类：•并网型：并入电网，可省却储能环节。•离网型：一般需配蓄电池等直流储能环节，可带交、直流负载。或与柴油发电机、光伏电池并联运行。定桨定速vs.变桨变速风力发电机组输出功率的比较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定子铁心转子绕组（端环）机座转子铁心定子绕组风扇端盖笼型异步风力发电机的工作原理向对称的三相绕组中通入对称三相交流电流，可以产生一个行波磁场。如果三相绕组分布在一个圆周上，则行波磁场作旋转运动，即旋转磁场。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：旋转磁场160fnP——同步转速笼型异步风力发电机的工作原理AXZBCYSn1Nffne,iTf产生电磁转矩T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ee在转子绕组中产生感应电流ii在磁场中产生电磁力f若转子以转速nn1,向n1的方向旋转n是否会等于n1？要产生T，必须n≠n1——异步机械能→电能，是发电机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转差率笼型异步发电机中转差率S与运行状态的关系?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11nnsn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。n＝(1－s)n1则转子转速n可表示为：笼型异步风力发电机的工作原理异步电机的运行状态SNn1Tn发电机状态电动机状态SNn1Tn用转差率s可以表示异步电机的运行状态!n＞n1＞0s＜00＜n＜n10＜s＜101n10ns笼型异步发电机的等值电路2R2jXjX1R1RmjXm1U1E1I='2E'2I0I21Rss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笼型异步发电机的功率表述R1jX1RmjXm2R2jX21RssPmpCu2pCu1pFeP1PM1U1I0I2I12EE11111cosPmUI定子输出功率：定、转子铜损耗：2Cu1111pmIR2Cu2122pmIR21221msPmIRs机械输入功率：电磁功率：221222222212coscosMRPmEImEImIs2Fe10mpmIR铁损耗：笼型异步发电机的功率流程图R1jX1RmjXm2jX21Rss2I12EE1U1I0IP1pCu1pFepCu2PMPm2/Rspm+paP22R笼型异步发电机的机械特性曲线TTmsn－Tmn1010发电机电动机电磁制动Smax221122211122π[()()]RmpUsTRfRXXs电磁转矩：电动机状态：0＜n＜n1，0＜s＜1发电机状态：0＜n1＜n，s＜0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(RotorCurrentControl，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(RotorCurrentControl，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。sm2Rs＝Rs2T10smn0n1sTmRs＝0固有机械特性TsRs增大sm1Rs＝Rs1转子电流受控的异步风力发电机系统(RotorCurrentControl，RCC)转子回路串入三相对称电阻时的人为机械特性三相绕线型异步电动机的参数和U1、f1一定，转子每相中串入附加电阻RsRs↑时：Tm不变，|smax|↑，T＝f(s)更倾斜转子电流受控的异步风力发电机系统(RotorCurrentControl，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国产1MW双馈异步风力发电机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；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基于IGBT和DSP技术的国产600kW双馈异步风力发电机系统交直交双向功率变换器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（约为全功率的S倍）。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。定子磁场定向矢量控制将定转子电压、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。双馈发电机的功率转速关系双馈发电机功率转速曲线-20002004006008001000120014001600700.00800.00900.001000.001100.001200.001300.00发电机转速(r/min)功率(kW)输出功率定子有功转子有功双馈发电机的负载电流关系双馈发电机负载电流曲线02004006008001000120002004006008001000120014001600负载功率(kW)电流(A)定子电流转子电流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05010015020025030035040002004006008001000120014001600负载功率(kW)转子电压(V)双馈发电机的效率曲线双馈发电机效率曲线3540455055606570758085909510002004006008001000120014001600负载功率(kW)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•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混合控制的异步风力发电机系统1电网VT1VT3VT5VT4VT6VT2VT7VT85多功能变换器8R4变压装置2双馈电机3绕线转子6整流器7星点短接及保护装置混合控制双馈＋斩波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