風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng)

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1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng),2,風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng),目的 介紹現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理和控制方法，說(shuō)明發(fā)電機(jī)對(duì)風(fēng)力機(jī)和電力系統(tǒng)的影響。,（1）恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) （2）變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),內(nèi)容,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu),4,風(fēng)力機(jī)（輪轂、槳葉），傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（齒輪箱），發(fā)電機(jī)，控制器（調(diào)槳、偏航、啟停、并網(wǎng)），結(jié)構(gòu)件（機(jī)艙、塔筒、基礎(chǔ)）,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu),5,雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu),7,直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,8,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)知識(shí),槳葉的距角,槳葉圍繞翼展長(zhǎng)度方向的軸線旋轉(zhuǎn)的角度。顯然，槳距角的變動(dòng)對(duì)槳葉的升力影響很大。,槳葉的升力與阻力,

2、9,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: Tip Speed Rate,10,定槳距槳葉,槳距角固定，大風(fēng)速時(shí)，翼型的尾部氣流紊亂，升力不增反降，稱為失速現(xiàn)象。,變槳距槳葉,槳距角可調(diào)，大風(fēng)速時(shí)，增大槳距角，可保持風(fēng)力機(jī)吸收功率恒定，也可完全釋放功率。,變槳距有利于大風(fēng)速下穩(wěn)定風(fēng)力機(jī)吸收的功率。,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制,11,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制,定速發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速基本恒定，例如籠型轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)。,變速發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)變化。需要變頻器保證饋入電網(wǎng)的電能頻率恒定。,變速發(fā)電機(jī)有利于小風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)吸收更多的功率。,12,風(fēng)力機(jī)的輸出功

3、率,定槳定速 vs.變槳變速風(fēng)力機(jī)輸出功率的比較：,13,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,兩大核心系統(tǒng)：風(fēng)力機(jī)系統(tǒng) 發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 一個(gè)靈魂： 系統(tǒng)控制器,風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)： 槳葉 輪轂 主軸 調(diào)槳機(jī)構(gòu)（液壓或電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)） 偏航機(jī)構(gòu)（電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)） 剎車、制動(dòng)機(jī)構(gòu) 風(fēng)速傳感器,發(fā)電機(jī)系統(tǒng)： 發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（電力電子變換器） 并網(wǎng)開關(guān) 軟并網(wǎng)裝置 無(wú)功補(bǔ)償器 主變壓器 轉(zhuǎn)速傳感器,,,,14,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,風(fēng)電機(jī)組對(duì)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的基本要求：,（1）將旋轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械能高效率地轉(zhuǎn)換為電能 轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、效率、電壓、電流、體積、重量 （2）輸出的電能質(zhì)量應(yīng)滿足電力系統(tǒng)的并網(wǎng)要求 頻率、有功、無(wú)功、波形畸變率、三相不平

4、衡度、 并網(wǎng)沖擊、電壓跌落跨越 （3）與風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)匹配，最大限度發(fā)揮風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率 有無(wú)齒輪箱（直驅(qū)）、變速（MPPT）、變槳（恒功） （4）安全、可靠運(yùn)行 過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)速、過(guò)熱等狀態(tài)監(jiān)測(cè)與保護(hù),15,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,風(fēng)電機(jī)組的分類：,（1）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(dòng)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)，調(diào)整槳距角，限制輸出轉(zhuǎn)矩與功率。 （2）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； 變速型： 雙速：可在兩個(gè)設(shè)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，改善風(fēng)能轉(zhuǎn)換率； 連續(xù)變速：連續(xù)可調(diào)，可捕捉最大風(fēng)能功率。,16

5、,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,風(fēng)電機(jī)組的分類：,（3）按傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分類 升速型：用齒輪箱連接低速風(fēng)力機(jī)和高速發(fā)電機(jī)。 直驅(qū)型：將低速風(fēng)力機(jī)和低速發(fā)電機(jī)直接連接。 （4）按發(fā)電機(jī)分類 異步型：籠型單速異步發(fā)電機(jī)、籠型雙速變極異步 發(fā)電機(jī)；繞線式異步發(fā)電機(jī)。 同步型：電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)；永磁同步發(fā)電機(jī)。 （5）按并網(wǎng)方式分類 并網(wǎng)型：直接或間接并入電網(wǎng)，可省卻儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。 離網(wǎng)型：需配儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，也可與柴發(fā)、光伏并聯(lián)運(yùn)行。,17,風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的分類：,恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) （1）同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng) （2）籠型異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng) （3）繞線轉(zhuǎn)子RCC異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng) （

6、1）變速恒頻鼠籠異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（高速） （2）變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（高速） （3）變速恒頻電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（中、低速） （4）變速恒頻永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（中、低速） （5）變速恒頻橫向磁通發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（中、低速）,18,風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),三要素： （1）同步發(fā)電機(jī) （2）調(diào)速器 （3）勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,19,恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),定子鐵心,定子繞組,轉(zhuǎn)子磁極,20,恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本工作原理 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),（1）風(fēng)力機(jī)拖著發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子以恒定 轉(zhuǎn)速n1沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),（2）定子鐵心槽內(nèi)的導(dǎo)體與

7、轉(zhuǎn)子上的 主磁極之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),（3）導(dǎo)體切割磁力線感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì),導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向可用右手定則判斷！,交變頻率：,p：磁極的極對(duì)數(shù),21,恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本工作原理 產(chǎn)生電磁制動(dòng)力,（1）載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電磁力,（2）繞組電流受力形成電磁轉(zhuǎn)矩,（3）電磁轉(zhuǎn)矩阻止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，是一種 制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，與風(fēng)力機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩 相平衡。,電磁制動(dòng)力的方向可用左手定則判斷！,22,恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程式,相量圖（忽略R）,式中， Xd XsXad XqXsXaq,Xad 、Xaq 每相電樞繞組的直軸 和交軸電樞反應(yīng)

8、電抗。,Xs 每相電樞繞組的漏電抗。,Xd 、Xq 每相電樞繞組的直軸 和交軸同步電抗。,23,空載特性 E0f ( if ),恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空載電壓特性,E0:定子一相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值,if:轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流,空載特性反映了轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生磁場(chǎng)、并在定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的能力。,,,額定點(diǎn),,,24,恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的外特性,外特性 Uf ( I ),外特性反映負(fù)載性質(zhì)不同時(shí)，端電壓隨負(fù)載大小變化而變化的情況。,外特性：同步發(fā)電機(jī)在nnN ，ifconst，cosconst的條件下，端電壓U和負(fù)載電流I 的關(guān)系曲線。,負(fù)載的 c

9、os不同，U 隨I 變化 的趨勢(shì)有所不同。,25,恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率,保持發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)（UN、IN、cosN）的額定勵(lì)磁電流ifN和轉(zhuǎn)速不變，去掉全部負(fù)載后，空載電動(dòng)勢(shì)為E0 ，則電壓調(diào)整率為,式中E0和UN同為相值或線值。,26,恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功角特性,勵(lì)磁電磁功率,磁阻電磁功率,隱極同步發(fā)電機(jī)，最大電磁功率出現(xiàn)在 功角 90處。,凸極同步發(fā)電機(jī)，最大電磁功率出現(xiàn)在 功角 90處。,27,恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)條件,發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電壓與電網(wǎng)電壓應(yīng)滿足四同條件，即： “同相序、

10、同幅值、同頻率、同相位”,同相序：由正確的旋轉(zhuǎn)方向保證 同幅值：由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自動(dòng)保證 同頻率：由調(diào)速器保證，槳距調(diào)節(jié)可用作并網(wǎng)調(diào)速器 同相位：由調(diào)速器微調(diào)實(shí)現(xiàn),28,恒速恒頻同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的主要問題,（1）并網(wǎng)問題：并網(wǎng)控制復(fù)雜，對(duì)調(diào)速器要求過(guò)高，并網(wǎng)過(guò)程長(zhǎng)，成功率較低，沖擊電流不易控制，不適合于頻繁脫、并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。,（2）運(yùn)行問題：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受電網(wǎng)頻率的鉗制，發(fā)電機(jī)呈現(xiàn)剛性機(jī)械特性。轉(zhuǎn)子受到的沖擊應(yīng)力大，電磁功率波動(dòng)快，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率偏低。,（3）過(guò)載問題：高風(fēng)速時(shí)，對(duì)變槳調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求高，無(wú)法利用轉(zhuǎn)子慣量緩沖。留給過(guò)速保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間太短。,恒速恒頻同步風(fēng)

11、力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)極少被采用！,29,風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),三要素： （1）異步發(fā)電機(jī) （2）調(diào)速器 （3）無(wú)功補(bǔ)償器,30,恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),31,恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),(1) 向?qū)ΨQ三相繞組中通入對(duì)稱三相交流電流，可形成行波磁場(chǎng)； (2) 如果繞組分布在圓周上，則行波磁場(chǎng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)； (3) 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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。 (4) 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(duì)數(shù)p：, 同步轉(zhuǎn)速,32,恒速

12、恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理 電磁感應(yīng),（1）定子三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，以同步轉(zhuǎn)速n1 旋轉(zhuǎn),（2）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) e和電流i,（3）i 在磁場(chǎng)中受力f，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T,（4）若轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速nn1, 向n1的方向旋轉(zhuǎn)， T為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)差率: 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:,n(1s)n1,或：,33,恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),發(fā)電機(jī)狀態(tài),電動(dòng)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)!,籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),34,恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的等值電路,一相等值

13、電路 定子漏阻抗、轉(zhuǎn)子漏阻抗（折合）、勵(lì)磁阻抗 轉(zhuǎn)子可變電阻反映發(fā)電機(jī)的負(fù)載狀況,35,恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁功率表述,定子輸出功率：,定、轉(zhuǎn)子銅損耗：,電磁功率：,鐵損耗：,36,恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的等值電路,一相等值電路 定子漏阻抗、轉(zhuǎn)子漏阻抗（折合）、勵(lì)磁阻抗 轉(zhuǎn)子可變電阻反映發(fā)電機(jī)的負(fù)載狀況,37,恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率流程圖,38,恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),電磁轉(zhuǎn)矩：,軟特性 vs. 硬特性,籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性曲線,39,恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),籠型異步風(fēng)力發(fā)電

14、機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn),（1）無(wú)功補(bǔ)償：發(fā)電機(jī)勵(lì)磁消耗無(wú)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； （由于負(fù)荷經(jīng)常變動(dòng)，固定電容難以做到完全補(bǔ)償?？赡艹霈F(xiàn)過(guò)補(bǔ)或欠補(bǔ)現(xiàn)象，造成電網(wǎng)電壓浮動(dòng)。可考慮在變電站加裝可控?zé)o功補(bǔ)償裝置SVC）,（2）軟并網(wǎng)： 并網(wǎng)瞬間與異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)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)，并加裝可控硅軟起動(dòng)限流裝置；,40,恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn),（3）過(guò)載能力：發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性曲線較硬，允許轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變動(dòng)范圍小，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換率偏低 。風(fēng)速不穩(wěn)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組容易受到?jīng)_擊機(jī)械應(yīng)力 ；

15、 （軟特性發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子損耗較大，發(fā)熱嚴(yán)重）,（4）高效輕載：絕大部分時(shí)間處于輕載狀態(tài)，要求發(fā)電機(jī)的效率曲線平坦，在中低負(fù)載區(qū)效率較高。可考慮在輕載區(qū)，將定子繞組由角接改為星接，降低鐵耗。,41,恒速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),籠型雙速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn),（1）變極雙速籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)方案 在同一臺(tái)發(fā)電機(jī)的定子鐵心中，埋設(shè)兩套不同極對(duì)數(shù)的電樞繞組（通常為4/6極）。根據(jù)需要，可在兩套繞組切換，以獲得合適的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。高速繞組角接，低速繞組星接，以降低輕載運(yùn)行時(shí)的鐵心磁密和損耗。,（2）大、小電機(jī)方案： 采用兩臺(tái)不同容量、不同極對(duì)數(shù)的單速籠型異步發(fā)電機(jī)同軸串聯(lián)。高速發(fā)電機(jī)角接

16、，低速發(fā)電機(jī)繞組星接。根據(jù)需要，可在兩套繞組切換。與變極雙速方案相比，小電機(jī)的負(fù)荷率較高，發(fā)電效率更高、,42,恒速恒頻RCC異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),RCC ：Rotor Current Control，轉(zhuǎn)子電流控制,定義： 轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)是指通過(guò)電力電子開關(guān)和脈寬調(diào)制（PWM）來(lái)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(dòng)態(tài)調(diào)整 發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性。,43,恒速恒頻RCC異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),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

17、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。,44,恒速恒頻RCC異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),,,Rs增大,轉(zhuǎn)子回路串入三相對(duì)稱電阻時(shí)的人為機(jī)械特性,三相繞線型異步電機(jī)的參數(shù)和U1、f1一定，轉(zhuǎn)子每相中串入附加電阻Rs 。,Rs時(shí)： Tm不變， |smax| ， Tf (s)更傾斜。,,45,恒速恒頻RCC異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),轉(zhuǎn)子電流斬波控制電路：,原理： 控制附加電阻的接入時(shí)間，從而控制轉(zhuǎn)子電流.,46,恒速恒頻RCC異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),優(yōu)點(diǎn)：,（1）風(fēng)速變化引

18、起風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(chǔ)能元件，吞吐伴隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化形成的動(dòng)能，提高風(fēng)能利用率； （3）電力電子主回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。,47,風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),變速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),48,變速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),四象限背靠背變頻器（全功率容量）,49,變速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),系統(tǒng)特點(diǎn)：,（1）交直交變頻器使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率間的關(guān)聯(lián)解耦；籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行于變速變頻發(fā)電狀態(tài)；可利用發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，跟

19、蹤其最大功率點(diǎn)。發(fā)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)差率小，發(fā)電機(jī)機(jī)械特性硬，運(yùn)行效率高； （2）發(fā)電機(jī)側(cè)變頻器運(yùn)行于升壓整流狀態(tài)，機(jī)端電壓可調(diào)，輕載 運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的鐵耗小、效率高；,50,變速恒頻籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),系統(tǒng)特點(diǎn)：,（3）電網(wǎng)側(cè)變頻器運(yùn)行于逆變狀態(tài)，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功傳送至電網(wǎng)，并可作為無(wú)功發(fā)生器參與調(diào)節(jié)電網(wǎng)無(wú)功；對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)的適應(yīng)性好，可以將電網(wǎng)的波動(dòng)屏蔽于發(fā)電機(jī)之外； （4）變頻器與發(fā)電機(jī)功率容量相等，系統(tǒng)成本高。,51,風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī) 交直交雙向功率變換器,52,變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),國(guó)產(chǎn)MW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī),53,

20、變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),國(guó)產(chǎn)1.5MW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁變頻器,54,變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),繞線型轉(zhuǎn)子三相異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu),55,變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),繞線型繞組的聯(lián)結(jié)方式,繞線型轉(zhuǎn)子繞組通常采用Y聯(lián)結(jié),56,變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),雙饋異步發(fā)電機(jī)：,（1）繞線型轉(zhuǎn)子三相異步發(fā)電機(jī)的一種； （2）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(tái)雙向功率變換器； （3）轉(zhuǎn)子繞組通入受控的變頻交流勵(lì)磁電流； （4）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)也可運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)； （5）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；,

21、57,變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),雙饋異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理 轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁,（1）轉(zhuǎn)子電流的頻率為轉(zhuǎn)差頻率，跟隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化； （2）通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的相位，控制轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)領(lǐng)先于由電網(wǎng)電壓決定的定子磁場(chǎng)，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)； （3）通過(guò)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(wú)功功率； （4）轉(zhuǎn)子繞組參與有功和無(wú)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0.3倍，|s|<0.3）,58,變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),雙饋異步發(fā)電機(jī)的等值電路,S0 時(shí)，右邊的轉(zhuǎn)子支路轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)電流源。,S0 時(shí),變頻器,59,變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),雙饋異步風(fēng)

22、力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的變頻器,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：交直交電壓型變頻器。由兩個(gè)共用直流環(huán)節(jié)的背靠背三相整流/逆變器組成?？蓪?shí)現(xiàn)變頻、變壓和功率雙向流動(dòng)； 控制方式：發(fā)電機(jī)側(cè)變頻器采用定子磁場(chǎng)定向矢量控制；電網(wǎng)側(cè)變頻器采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制。通過(guò)二者之間的協(xié)調(diào)控制，保持直流母線電壓恒定?？蓪?shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率之間的解耦控制； 電壓調(diào)制：空間電壓矢量正弦型脈寬調(diào)制。,60,定子磁場(chǎng)定向矢量控制：將定、轉(zhuǎn)子電壓、電流和磁鏈各量投影到由定子磁場(chǎng)確定的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的方法。,變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),61,變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)速關(guān)系,6

23、2,變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率電流關(guān)系,63,變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)子電壓關(guān)系,64,變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率效率曲線,65,變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),系統(tǒng)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，變頻器成本相對(duì)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(jiǎn)單，無(wú)沖擊電流； （5）降低槳距控制的動(dòng)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）雙向變頻器結(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。,66,風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),變速

24、恒頻電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（中、低速）,半直驅(qū)或直驅(qū),67,變速恒頻電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng),系統(tǒng)特點(diǎn)：,（1）連續(xù)變速運(yùn)行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高； （2）通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，可保持發(fā)電機(jī)的端電壓恒定； （3）可采用不控整流和PWM逆變，成本低于全功率變換 ； （4）電能質(zhì)量好，并網(wǎng)簡(jiǎn)單，無(wú)沖擊電流； （5）降低槳距控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，改善槳葉上機(jī)械應(yīng)力狀況 （6）轉(zhuǎn)子可采用無(wú)刷旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁； （7）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，勵(lì)磁消耗電功率； （8）體積大、重量重，效率稍低 。,68,風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),變速恒頻永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（中、低速）,半直驅(qū)或直驅(qū),69,變速恒頻永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng),不控整流升壓斬波PWM逆變器,70

25、,變速恒頻永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng),系統(tǒng)特點(diǎn)：,（1）連續(xù)變速運(yùn)行，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率高，可降低槳距控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，改善槳葉上機(jī)械應(yīng)力狀況 ； （2）具有最高的運(yùn)行效率 ； （3）勵(lì)磁不可調(diào)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化。采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC變換，可維持直流母線電壓基本恒定，同時(shí)還可控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩以調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；,71,變速恒頻永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng),系統(tǒng)特點(diǎn)：,（4）在電網(wǎng)側(cè)采用PWM逆變器輸出恒定頻率和電壓的三相交流電，對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)的適應(yīng)性好 ； （5）永磁發(fā)電機(jī)體積大、重量重，成本高；全容量全控變流器控制復(fù)雜，成本高； （6）永磁發(fā)電機(jī)存在定位轉(zhuǎn)矩，給機(jī)組起動(dòng)造成困難。,72,風(fēng)

26、力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),變速恒頻橫向磁通發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（中、低速）,半直驅(qū)或直驅(qū),新結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)與電力電子變流器相結(jié)合，有望大幅度減小大功率低速直驅(qū)發(fā)電機(jī)的空間尺寸和重量！,73,風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),變速恒頻橫向磁通發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（中、低速）,半直驅(qū)或直驅(qū),新結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)與電力電子變流器相結(jié)合，有望大幅度減小大功率低速直驅(qū)發(fā)電機(jī)的空間尺寸和重量！,74,本章小結(jié),（1）籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)成本低、可靠性高，在定速和變速全功率變換風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中將繼續(xù)扮演重要角色； （2）雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)具有最高的性價(jià)比，特別適合于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電。將在未來(lái)十年內(nèi)繼續(xù)成為風(fēng)電市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品； （3）直驅(qū)型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其變流技術(shù)發(fā)展迅速，利用新技術(shù)有望大幅度減小低速發(fā)電機(jī)的體積和重量。,