風力發(fā)電機原理

1、風力發(fā)電機及其系統(tǒng)風力發(fā)電機組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)機艙輪轂槳葉變槳系統(tǒng)偏航系統(tǒng)齒輪箱發(fā)電機底座塔筒控制柜典型風力發(fā)電機系統(tǒng) 定速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流混合控制的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 變速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 電勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 永磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 混合勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng)定速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng)三相籠型異步風力發(fā)電機籠型異步風力發(fā)電機的內(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)）機座機座轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心定子繞組定子繞組風扇風扇端蓋端蓋籠型異步風力發(fā)電機的工作原理向?qū)ΨQ

2、的三相繞組中通入對稱三相交流電流，向?qū)ΨQ的三相繞組中通入對稱三相交流電流，可以產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場?？梢援a(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。如果三相繞組分布在一個圓周上，則旋轉(zhuǎn)磁場如果三相繞組分布在一個圓周上，則旋轉(zhuǎn)磁場作旋轉(zhuǎn)運動。旋轉(zhuǎn)磁場在一個圓周內(nèi)，呈現(xiàn)出作旋轉(zhuǎn)運動。旋轉(zhuǎn)磁場在一個圓周內(nèi)，呈現(xiàn)出的磁極（的磁極（N、S極）數(shù)目稱為極數(shù)，用極）數(shù)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取決于電流的頻率取決于電流的頻率 f 和極對數(shù)和極對數(shù) P：160 fnP 同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速籠型異步風力發(fā)電機的工作原理AXZBCYSn1Nffne, iT f

3、 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)子導條中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢在轉(zhuǎn)子導條中產(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 異步異步機械能機械能 電能電能，是，是發(fā)電機發(fā)電機轉(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！籠型異步風力發(fā)電機的工作原理籠型異步發(fā)電機籠型異步發(fā)電機 中中轉(zhuǎn)差率

4、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11nnsn 異步電機的特點之一是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速異步電機的特點之一是轉(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：籠型異步風力發(fā)電機的工作原理SNn1TnSNn1Tn用轉(zhuǎn)差率用轉(zhuǎn)差率s可以表示異步電機的運行狀態(tài)可以表示異步電機的運行狀態(tài)!nn10s00nn10s101n10ns電機正反轉(zhuǎn)控制圖籠型異步發(fā)電機的等值電路2R2jXjX1R

5、1RmjXm1U1E1I= =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)電機的負載狀況轉(zhuǎn)子可變電阻反映發(fā)電機的負載狀況鐵損和銅損 鐵損：電機的鐵損包括磁滯損失和 渦流損失兩部分，電機空載時所消耗的功率。 銅損：電機繞組上的損耗，包括原繞組的銅損和副繞組的銅損，一般電機短路情況下的損耗就是銅損?；\型異步發(fā)電機的功率表述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

6、銅損耗：2Cu11 11pm I R2Cu21 22pm IR21 221msPm IRs機械輸入功率：機械輸入功率：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)電機的功率流程圖R1jX1RmjXm2jX21Rss2I12EE1U1I0IP1pCu1pFepCu2PMPm2/Rspm+ paP22R籠型異步發(fā)電機的機械特性曲線TTmsnTmn101 0發(fā)電機電動機電磁制動Smax221122211122 ()() Rm pUsTRfRXXs電磁轉(zhuǎn)矩：電磁轉(zhuǎn)矩：電動機狀態(tài)：電動機狀態(tài)： 0nn1

7、，0s1發(fā)電機狀態(tài)：發(fā)電機狀態(tài)： 0n1n ，s0軟特性軟特性 vs. 硬特性硬特性籠型異步發(fā)電機的運行特點（1）發(fā)電機勵磁消耗無功功率，皆取自電網(wǎng)。應(yīng)選用較高功率因數(shù)發(fā)電機，并在機端并聯(lián)電容；（2）絕大部分時間處于輕載狀態(tài)，要求在中低負載區(qū)效率較高，希望發(fā)電機的效率曲線平坦；（3）風速不穩(wěn)，易受沖擊機械應(yīng)力，希望發(fā)電機有較軟的機械特性曲線，max絕對值要大 ；（4）并網(wǎng)瞬間與電動機起動相似，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； 典型風力發(fā)電機系統(tǒng) 定速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流混合控制的異步風力發(fā)電

8、機系統(tǒng) 變速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 電勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 永磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 混合勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng)轉(zhuǎn)子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(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)電機轉(zhuǎn)子電流的一項技術(shù)。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征：（1）采用變槳風力機；（2）采用繞線型異步發(fā)電機，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)電機的機械特性。轉(zhuǎn)子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(tǒng)(Rotor Current Control， RCC)轉(zhuǎn)子采用類似于

9、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)電機的機械特性類似于籠型異步發(fā)電機；外接附加電阻時，機械特性變軟。轉(zhuǎn)子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(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異步風力發(fā)電機系統(tǒng)的特點優(yōu)點：（1）風速變化引起風輪轉(zhuǎn)矩脈動的低頻分量由變槳調(diào)速機構(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，提高風能

10、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。典型風力發(fā)電機系統(tǒng) 定速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流混合控制的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 變速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 電勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 永磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 混合勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng)雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)系統(tǒng)主回路構(gòu)成： 雙饋異步發(fā)電機 交直交雙向功率變換器雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)雙饋異步風力發(fā)電機（風冷）雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 風力發(fā)電機的關(guān)鍵部位：滑環(huán)（電刷）系統(tǒng)雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)

11、 什么是雙饋電機什么是雙饋電機？ 所謂雙饋電機所謂雙饋電機, ,就是將電能分別饋入繞線轉(zhuǎn)子異步電機就是將電能分別饋入繞線轉(zhuǎn)子異步電機的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組, ,一般將定子繞組接入電網(wǎng)一般將定子繞組接入電網(wǎng), ,而而接入轉(zhuǎn)子繞組電源的頻率、電壓幅值和相位則需要按接入轉(zhuǎn)子繞組電源的頻率、電壓幅值和相位則需要按要求分別進行調(diào)節(jié)要求分別進行調(diào)節(jié) 。 雙饋電機的特點： （1）和異步電機區(qū)別：異步電機是通過定子從電網(wǎng)吸收勵磁電流,本身無勵磁繞組,而雙饋與同步機一樣有獨立的勵磁繞組;異步電機無法改變功率因數(shù);異步電機的轉(zhuǎn)速隨負荷變化而變化 。 （2）和同步機區(qū)別 ：同步機勵磁只可調(diào)節(jié)電流的

12、幅值,因此只能對無功功率進行調(diào)節(jié),而雙饋電機可以調(diào)節(jié)幅值、頻率和相位:改變勵磁頻率,可以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速;改變勵磁電流相位,可以調(diào)節(jié)發(fā)電機電勢和電網(wǎng)電壓向量的相對位置,改變了電機功率角,可以調(diào)節(jié)有功和無功. 雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)雙饋異步發(fā)電機繞線型轉(zhuǎn)子三相異步發(fā)電機的一種；定子繞組直接接入交流電網(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（變頻器）；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；雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 控制原理簡圖雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 雙饋系統(tǒng)雙饋系統(tǒng)（變換器變換器系統(tǒng)）

13、系統(tǒng)）: : (1)(1)交交變頻器交交變頻器( (雙饋中有一定應(yīng)用雙饋中有一定應(yīng)用) ) 優(yōu)點優(yōu)點: :自然換流自然換流, ,四象限可靠運行四象限可靠運行; ;無直流濾波無直流濾波, ,變頻效變頻效率高率高 。 缺點缺點: :變壓器始終吸收無功、功率因數(shù)低變壓器始終吸收無功、功率因數(shù)低; ;諧波大諧波大, ,輸出輸出頻率低頻率低, ,需要隔離變壓器需要隔離變壓器 (2)(2)交直交變頻器交直交變頻器( (大量應(yīng)用大量應(yīng)用) ) 優(yōu)點優(yōu)點: :雙雙PWMPWM實現(xiàn)能量的雙向傳遞實現(xiàn)能量的雙向傳遞; ;結(jié)構(gòu)簡單、電流諧波結(jié)構(gòu)簡單、電流諧波含量小、輸入功率因數(shù)可控含量小、輸入功率因數(shù)可控 缺點缺點

14、: :直流環(huán)節(jié)的濾波電容體積較大直流環(huán)節(jié)的濾波電容體積較大, ,壽命較短壽命較短, ,且雙側(cè)且雙側(cè)采用采用PWMPWM控制控制, ,開關(guān)損耗較大開關(guān)損耗較大. . (3)(3)矩陣變換器矩陣變換器( (研發(fā)階段研發(fā)階段) ) 優(yōu)點優(yōu)點: :四象限運行四象限運行; ;可輸出幅值、頻率、相位和相序均可輸出幅值、頻率、相位和相序均可控的電壓可控的電壓, ,諧波含量較小諧波含量較小. . 缺點缺點: :換流過程不允許兩個開關(guān)同時導通或同時關(guān)斷換流過程不允許兩個開關(guān)同時導通或同時關(guān)斷, ,實現(xiàn)比較困難實現(xiàn)比較困難風力發(fā)電系統(tǒng)簡圖雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)基于IGBT（絕緣柵雙極晶閘管）技術(shù)的雙饋異步風力發(fā)電

15、機系統(tǒng)交直交雙向功率變換器 大的機側(cè)小的網(wǎng)側(cè)雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng) IGBT原理圖雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)雙饋異步風力發(fā)電機系統(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空間電壓矢量PWM控制方法；可實現(xiàn)發(fā)電機輸出的有功和無功功率解耦控制。雙饋異步風力發(fā)電機的運行原理引入轉(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

16、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)。雙饋異步風力發(fā)電機的等值電路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。雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)a. 亞同步發(fā)電運行 nr n1時 ，（即 0S1） f2取正號，如果忽略各種損耗，則發(fā)電機的能量關(guān)系為： P電磁=P機械+P轉(zhuǎn)差 P上網(wǎng)=P電磁 （定子饋電，轉(zhuǎn)子由變頻器提供勵磁）b.超同步發(fā)電運行 nr n1時，（即 S1） f2取負號，

17、如果忽略各種損耗，則發(fā)電機的能量 關(guān)系為： P機械=P轉(zhuǎn)差+P電磁 P上網(wǎng)=P轉(zhuǎn)差+P電磁（定子饋電+轉(zhuǎn)子饋電）將定轉(zhuǎn)子電壓、電流和磁鏈各量投影到由定子磁場確定的同步旋轉(zhuǎn)坐標系中，進行調(diào)節(jié)控制的方法。定子磁場定向矢量控制雙饋發(fā)電機的功率轉(zhuǎn)速關(guān)系此圖參考1.5MW風機雙饋發(fā)電機的負載電流關(guān)系雙饋發(fā)電機負載電流曲線02004006008001000120002004006008001000120014001600負載功率(kW)電流(A)定子電流轉(zhuǎn)子電流雙饋發(fā)電機的負載轉(zhuǎn)子電壓關(guān)系雙饋發(fā)電機的效率曲線雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)的特點（1）連續(xù)變速運行，風能轉(zhuǎn)換率高；（2）部分功率變換，變流器成本相對較

18、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）改善作用于風輪槳葉上機械應(yīng)力 狀況 ；（7）雙向變流器結(jié)構(gòu)和控制較復雜；（8）電刷與滑環(huán)間存在機械磨損。典型風力發(fā)電機系統(tǒng) 定速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流混合控制的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 變速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 電勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 永磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 混合勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng)轉(zhuǎn)子電流混合控制的異步風力發(fā)電機系統(tǒng)1電網(wǎng)VT 1VT 3VT 5VT 4VT 6VT

19、 2VT 7VT 85 多功能變換器8R4變壓裝置2雙饋電機3繞線轉(zhuǎn)子6 整流器7星點短接及保護裝置 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；（2）兼具雙饋控制和RCC控制的優(yōu)點。 缺點：（1）轉(zhuǎn)速范圍縮??；（2）超同步速運行時，無功功率不可調(diào)，功率因數(shù)略低。典型風力發(fā)電機系統(tǒng) 定速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流混合控制的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 變速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 電勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 永磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 混合勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng)

20、變速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng)gearboxbrakepitch driveinverterrectifierline coupling transformergrid sidebreakerYaw drivegenerator sidebreakerConverter(full rating)wind turbine controllerconverter controllerCage Induction generator 變速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng)系統(tǒng)特點籠型異步風力發(fā)電機運行于變速變頻發(fā)電狀態(tài)；運行于小轉(zhuǎn)差率范圍，發(fā)電機機械特性硬，運行效率高；發(fā)電機機端電壓可調(diào)，輕載運行效率高；發(fā)電機與電

21、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)電機功率容量相等，系統(tǒng)成本高。典型風力發(fā)電機系統(tǒng) 定速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流混合控制的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 變速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 電勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 永磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 混合勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 橫向磁通永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng)電勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng)發(fā)展同步發(fā)電機的必要性：同步發(fā)電機用作風力發(fā)電機時，即可直接向交流負載供電，也可經(jīng)整流器變換為直流電，向直流負載供電。因此，同步風力發(fā)電機已成為中小容量風力發(fā)電機組的首選機型。近年來，在大容量

22、風力發(fā)電機組產(chǎn)品中，同步風力發(fā)電機也已暫露頭角，有望成為未來的主力機型。 直接驅(qū)動同步風力發(fā)電機去除齒輪箱，直接驅(qū)動的理由： 由齒輪箱引起的風電機組故障率高； 齒輪箱的運行維護工作量大，易漏油污染； 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)動同步風力發(fā)電機同步風力發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)同步風力發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)定子鐵心 定子繞組 發(fā)電機轉(zhuǎn)子同步風力發(fā)電機的基本工作原理同步風力發(fā)電機的基本工作原理同步發(fā)電機原理：產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 風力機拖著發(fā)電機的轉(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

23、槽內(nèi)的導體與轉(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）的導體中 將感應(yīng)出電動勢： 導體感應(yīng)電動勢的方向可用右手定則判斷 。Vlvbe同步風力發(fā)電機的基本工作原理同步風力發(fā)電機的基本工作原理如果發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為n1，單位為r/min，即發(fā)電機轉(zhuǎn)子每秒轉(zhuǎn)了n1/60圈，則定子導體中感應(yīng)電動勢的頻率為：當發(fā)電機的極對數(shù)p與轉(zhuǎn)速n1一定時，發(fā)電機內(nèi)感應(yīng)電動勢的頻率f就是固定的數(shù)值。 160pnfHz同步風力發(fā)電機的基本工作原理同步風力發(fā)電機的基本工作原理同步發(fā)電機原理： 產(chǎn)生電磁力 如果在同步發(fā)電機定子導體A中有電流流過，那么根據(jù)電磁作用力定律，導體A在

24、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同步風力發(fā)電機的電動勢方程式同步風力發(fā)電機的電動勢方程式0jjddqqEUIRI XI X式中，式中， 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)電機的空載特性同步發(fā)電機的空載特性 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

25、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)電動勢的能力繞組中感應(yīng)電動勢的能力。同步發(fā)電機的外特性同步發(fā)電機的外特性 外特性反映負載性質(zhì)不外特性反映負載性質(zhì)不同時，端電壓隨負載大小同時，端電壓隨負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)電機在外特性：同步發(fā)電機在nnN ，ifconst，cos const的條件下，端電壓的條件下，端電壓U和負載電流和負載電流I 的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。 負載的負載的 cos 不同，不同，U 隨隨I 變化的趨勢有所

26、不同。變化的趨勢有所不同。0IUINUNcos0.8cos1cos()0.8同步發(fā)電機的電壓調(diào)整率同步發(fā)電機的電壓調(diào)整率 保 持 發(fā) 電 機 額 定 運 行 時保 持 發(fā) 電 機 額 定 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，去掉全部負載后，空載電動勢為全部負載后，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)電機的功角特性同步發(fā)電機的功角特性 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

27、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（不計飽和）步發(fā)電機（不計飽和）: 00cosMqPmE ImE I22Cucos(cos)MPPpmUImI RmI UIRUIjddI X0EjqqI XdIqIjqIXqE同步發(fā)電機的功角特性同步發(fā)電機的功角特性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，最大電磁功率隱極同步發(fā)電機，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，最大電磁功率凸極同步發(fā)電機，最大電磁功率 出現(xiàn)在出現(xiàn)在

28、 90 處。處。gearboxbrakepitch drivemain inverter(full rating)wind turbine controlrectifierline coupling transformergrid sidebreakerYaw drivegenerator sidebreakerconverterconverter controllerSG AVR exciter電勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng)電勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(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)復雜，勵磁消耗電功率；體積大、重量重，效率稍低。典型風力發(fā)電機系統(tǒng) 定速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流受控的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子電流混合控制的異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 變速籠型異步風力發(fā)電機系統(tǒng) 電勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng) 永磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機系統(tǒng)