风力发电机及其系统2010年8月大唐公司系列培训系列之风力发电机组的内部结构机舱轮毂桨叶变桨系统偏航系统齿轮箱发电机底座塔筒控制柜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定子铁心转子绕组转子绕组（端环）（端环）机座机座转子铁心转子铁心定子绕组定子绕组风扇风扇端盖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，向对称的三相绕组中通入对称三相交流电流，可以产生一个旋转磁场。可以产生一个旋转磁场。如果三相绕组分布在一个圆周上，则旋转磁场如果三相绕组分布在一个圆周上，则旋转磁场作旋转运动。旋转磁场在一个圆周内，呈现出作旋转运动。旋转磁场在一个圆周内，呈现出的磁极（的磁极（N、S极）数目称为极数，用极）数目称为极数，用2P表示。表示。旋转磁场的转向取决于三相电流的相序，转速旋转磁场的转向取决于三相电流的相序，转速n1取决于电流的频率取决于电流的频率 f 和极对数和极对数 P：l l 旋转磁场 同步转速同步转速笼型异步风力发电机的工作原理Sn1Nffne, iT f 产生电磁转矩产生电磁转矩T 定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速n1 旋转旋转 在转子导条中产生感应电动势在转子导条中产生感应电动势 e e 在转子绕组中产生感应电流在转子绕组中产生感应电流 i i 在磁场中产生电磁力在磁场中产生电磁力f 若转子以转速若转子以转速nn1, 向向n1的方向旋转的方向旋转 n 是否会等于是否会等于 n1？要产生要产生T，必须，必须nn1 异步异步机械能机械能 电能电能，是，是发电机发电机转子转速大于定子旋转磁场转速，转子转速大于定子旋转磁场转速， 发电！发电！笼型异步风力发电机的工作原理l l 转差率笼型异步发电机笼型异步发电机 中中转差率转差率S 与运行状态的关系与运行状态的关系? 把把同同步步转转速速n1与与转转子子转转速速n的的差差与与同同步步转转速速n1的的比比值值，称称为为转差率转差率，用，用s表示，即表示，即 异异步步电电机机的的特特点点之之一一是是转转子子转转速速n和和定定子子旋旋转转磁磁场场的的同同步步转转速速n1不同。不同。n(1s)n1则转子转速则转子转速n可表示为：可表示为：笼型异步风力发电机的工作原理l l 异步电机的运行状态异步电机的运行状态发电机状态发电机状态发电机状态发电机状态电动机状态电动机状态电动机状态电动机状态用转差率用转差率s可以表示异步电机的运行状态可以表示异步电机的运行状态!nn10s00nn10s101n10ns电机正反转控制图笼型异步发电机的等值电路一相等值电路一相等值电路定子漏阻抗、转子漏阻抗（折合）、励磁阻抗定子漏阻抗、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转子可变电阻反映发电机的负载状况铁损和铜损铁损：电机的铁损包括磁滞损失和 涡流损失两部分，电机空载时所消耗的功率。铜损：电机绕组上的损耗，包括原绕组的铜损和副绕组的铜损，一般电机短路情况下的损耗就是铜损。笼型异步发电机的功率表述定子输出功率：定子输出功率：定、转子铜损耗：定、转子铜损耗：机械输入功率：机械输入功率：电磁功率：电磁功率：铁损耗：铁损耗：笼型异步发电机的功率流程图笼型异步发电机的机械特性曲线电磁转矩：电磁转矩：电动机状态：电动机状态： 0nn1 ，0s1发电机状态：发电机状态： 0n1n ，s0软特性软特性 vs. 硬特性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，max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(Rotor Current Control， 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(Rotor Current Control， RCC)l l 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。转子电流受控的异步风力发电机系统(Rotor Current Control， 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双馈异步风力发电机（风冷）双馈异步风力发电机系统风力发电机的关键部位：滑环（电刷）系统双馈异步风力发电机系统什么是双什么是双馈电馈电机机？所所谓谓双双馈电馈电机机, ,就是将就是将电电能分能分别馈别馈入入绕线转绕线转子异步子异步电电机机的定子的定子绕组绕组和和转转子子绕组绕组, ,一般将定子一般将定子绕组绕组接入接入电电网网, ,而而接入接入转转子子绕组电绕组电源的源的频频率、率、电压电压幅幅值值和相位和相位则则需要按需要按要求分要求分别进别进行行调节调节 。双馈电机的特点：（1）和异步电机区别：异步电机是通过定子从电网吸收励磁电流,本身无励磁绕组,而双馈与同步机一样有独立的励磁绕组;异步电机无法改变功率因数;异步电机的转速随负荷变化而变化 。（2）和同步机区别 ：同步机励磁只可调节电流的幅值,因此只能对无功功率进行调节,而双馈电机可以调节幅值、频率和相位:改变励磁频率,可以调节电机转速;改变励磁电流相位,可以调节发电机电势和电网电压向量的相对位置,改变了电机功率角,可以调节有功和无功. 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（变频器）；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控制原理简图双馈异步风力发电机系统双双馈馈系系统统（变换变换器器系系统）: :(1)(1)交交交交变频变频器器( (双双馈馈中有一定中有一定应应用用) ) 优优点点: :自然自然换换流流, ,四象限可靠运行四象限可靠运行; ;无直流无直流滤滤波波, ,变频变频效效率高率高 。缺点缺点: :变压变压器始器始终终吸收无功、功率因数低吸收无功、功率因数低; ;谐谐波大波大, ,输输出出频频率低率低, ,需要隔离需要隔离变压变压器器 (2)(2)交直交交直交变频变频器器( (大量大量应应用用) ) 优优点点: :双双PWMPWM实现实现能量的双向能量的双向传递传递; ;结结构构简单简单、电电流流谐谐波波含量小、含量小、输输入功率因数可控入功率因数可控 缺点缺点: :直流直流环节环节的的滤滤波波电电容体容体积较积较大大, ,寿命寿命较较短短, ,且双且双侧侧采用采用PWMPWM控制控制, ,开关开关损损耗耗较较大大. .(3)(3)矩矩阵变换阵变换器器( (研研发阶发阶段段) ) 优优点点: :四象限运行四象限运行; ;可可输输出幅出幅值值、频频率、相位和相序均率、相位和相序均可控的可控的电压电压, ,谐谐波含量波含量较较小小. . 缺点缺点: :换换流流过过程不允程不允许许两个开关同两个开关同时导时导通或同通或同时时关断关断, ,实现实现比比较较困困难难风力发电系统简图双馈异步风力发电机系统基于IGBT（绝缘栅双极晶闸管）技术的双馈异步风力发电机系统交直交双向功率变换器大的机侧小的网侧双馈异步风力发电机系统IGBT原理图双馈异步风力发电机系统双馈异步风力发电机系统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。双馈异步风力发电机的等值电路S0 时时S0 时，右边的转子支路转变为一个电流源。时，右边的转子支路转变为一个电流源。双馈异步风力发电机系统a.亚同步发电运行 nr n1时 ，（即 0S1） f2取正号，如果忽略各种损耗，则发电机的能量关系为： P电磁=P机械+P转差 P上网=P电磁 （定子馈电，转子由变频器提供励磁）b.超同步发电运行 nr n1时，（即 S1） f2取负号，如果忽略各种损耗，则发电机的能量 关系为： P机械=P转差+P电磁 P上网=P转差+P电磁（定子馈电+转子馈电）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。定子磁场定向矢量控制双馈发电机的功率转速关系此图参考1.5MW风机双馈发电机的负载电流关系双馈发电机的负载转子电压关系双馈发电机的效率曲线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 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变速笼型异步风力发电机系统gearboxbrakepitch driveinverterrectifierline coupling transformergrid sidebreakerYaw drivegenerator sidebreakerConverter(full rating)wind turbine controllerconverter controllerCage Induction generator 变速笼型异步风力发电机系统系统特点笼型异步风力发电机运行于变速变频发电状态；运行于小转差率范围，发电机机械特性硬，运行效率高；发电机机端电压可调，轻载运行效率高；发电机与电网被可控的变流器隔离，系统对电网波动的适应性好；变流器与发电机功率容量相等，系统成本高。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电励磁直驱同步风力发电机系统发展同步发电机的必要性：同步发电机用作风力发电机时，即可直接向交流负载供电，也可经整流器变换为直流电，向直流负载供电。因此，同步风力发电机已成为中小容量风力发电机组的首选机型。近年来，在大容量风力发电机组产品中，同步风力发电机也已暂露头角，有望成为未来的主力机型。 直接驱动同步风力发电机去除齿轮箱，直接驱动的理由：由齿轮箱引起的风电机组故障率高；齿轮箱的运行维护工作量大，易漏油污染；系统的噪声大，效率低，寿命 短。直驱带来的问题：发电机转速低、转矩大，体积重量明显增大；全功率整流逆变，变流器成本高。直接驱动同步风力发电机同步风力发电机的定、转子结构同步风力发电机的定、转子结构定子铁心 定子绕组 发电机转子同步风力发电机的基本工作原理同步风力发电机的基本工作原理同步发电机原理：产生感应电动势风力机拖着发电机的转子以恒定转 速n1相对于定子沿逆时针方向旋转； 安放于定子铁心槽内的导体与转子 上的主磁极之间发生相对运动 ；根据电磁感应定律可知，相对于磁 极运动（即切割磁力线）的导体中 将感应出电动势：导体感应电动势的方向可用右手定则判断 。同步风力发电机的基本工作原理同步风力发电机的基本工作原理如果发电机的转速为n1，单位为r/min，即发电机转子每秒转了n1/60圈，则定子导体中感应电动势的频率为：当发电机的极对数p与转速n1一定时，发电机内感应电动势的频率f就是固定的数值。 同步风力发电机的基本工作原理同步风力发电机的基本工作原理同步发电机原理： 产生电磁力 如果在同步发电机定子导体A中有电流流过，那么根据电磁作用力定律，导体A在主磁极的磁场作用下，将受到一个电磁力 ： 电磁力的方向可用左手定则判断 。同步风力发电机的电动势方程式同步风力发电机的电动势方程式电动势方程式:式中，式中， Xd XsXad XqXsXaqXad 、Xaq 每相电枢绕组的直每相电枢绕组的直 轴、交轴电枢反应电抗。轴、交轴电枢反应电抗。Xd 、Xq 每相电枢绕组的直轴、每相电枢绕组的直轴、 交轴同步电抗。交轴同步电抗。相量图相量图（忽略忽略R）同步发电机的空载特性同步发电机的空载特性 E0:定子一相感应电动势的有效值定子一相感应电动势的有效值空载特性空载特性 E0f ( if )if:转子励磁电流转子励磁电流 空空载载特特性性反反映映了了转转子子励励磁磁磁磁动动势势产产生生磁磁场场、并并在在定定子子绕组中感应电动势的能力绕组中感应电动势的能力。同步发电机的外特性同步发电机的外特性 外外特特性性反反映映负负载载性性质质不不同同时时，端端电电压压随随负负载载大大小小变化而变化的情况。变化而变化的情况。 外外特特性性：同同步步发发电电机机在在nnN ，ifconst，cos const的的条条件件下下，端端电电压压U和负载电流和负载电流I 的关系曲线。的关系曲线。 负负载载的的 cos 不不同同，U 随随I 变化的趋势有所不同。变化的趋势有所不同。同步发电机的电压调整率同步发电机的电压调整率 保保持持发发电电机机额额定定运运行行时时（UN、IN、cos N）的的额额定定励励磁磁电电流流ifN和和转转速速不不变变，去去掉掉全全部部负负载载后后，空空载载电电动动势势为为E0 ，则，则电压调整率电压调整率为为式中式中E0和和UN同为相值或线值。同为相值或线值。同步发电机的功角特性同步发电机的功角特性 电电磁磁功功率率可可用用电电枢枢感感应应电电动动势势、电电枢枢电电流流及及它它们们之之间间的的夹夹角角表表示示。对对隐隐极极同同步发电机（不计饱和）步发电机（不计饱和）:电磁功率的表达式 同步发电机的功角特性同步发电机的功角特性功角特性功角特性励磁电磁功率励磁电磁功率磁阻电磁功率磁阻电磁功率 隐极同步发电机，最大电磁功率隐极同步发电机，最大电磁功率 出现在出现在 90 处。处。 凸极同步发电机，最大电磁功率凸极同步发电机，最大电磁功率 出现在出现在 90 处。处。gearboxbrakepitch drivemain inverter(full rating)wind turbine controlrectifierline coupling transformergrid sidebreakerYaw drivegenerator sidebreakerconverterconverter controllerSG AVR exciter电励磁直驱同步风力发电机系统电励磁直驱同步风力发电机系统系统特点：通过调节转子励磁电流，可保持发电机的端电压恒定；定子绕组输出电压的频率随转速变化；可采用不控整流和PWM逆变，成本较低；转子可采用无刷旋转励磁；转子结构复杂，励磁消耗电功率；体积大、重量重，效率稍低。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永磁直接驱动同步风力发电机永磁同步发电机的功率变换电路永磁直接驱动同步发电机系统系统特点：永磁发电机具有最高的运行效率；永磁发电机的励磁不可调，导致其感应电动势随转速和负载变化。采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC变换，可维持直流母线电压基本恒定，同时可控制发电机电磁转矩以调节风轮转速；在电网侧采用PWM逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电，对电网波动的适应性好；永磁发电机和全容量全控变流器成本高；永磁发电机存在定位转矩，给机组起动造成困难。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混合励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系统特点：利用转子的凸极磁阻效应，增强永磁发电机的调磁能力；采用部分功率容量的SVG逆变器向发电机机端注入无功电流，以调节发电机的端电压；无需全功率容量的脉冲整流或DC-DC变换器，可明显节省变流器的容量；SVG逆变器可兼有有源滤波的功能，能够改善发电机中的电流波形，降低发电机的谐波损耗和温升。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横向磁通永磁同步风力发电机系统新结构发电机与电力电子变流器的结合，有望大幅度减小大功率低速直驱发电机的空间尺寸和重量！小结（1）笼型异步发电机成本低、可靠性高，在定速和变速全功率变换风力发电系统中将继续扮演重要角色；（2）双馈异步发电机系统具有最高的性价比，特别适合于变速恒频风力发电。将在未来数年内继续称为风电市场上的主流产品；（3）直驱型同步风力发电机及其变流技术发展迅速，利用新技术有望大幅度减小低速发电机的体积和重量。谢谢！