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1、目录,绪论第一讲 风能资源第二讲 电工基础第三讲 风力发电中的输变电第四讲 风力发电机组的基本结构第五讲 风力发电中的空气动力学原理第六讲 风力发电机的原理与机组构成第七讲 风力发电机组的运行与维护,第六讲 风力发电机的原理与机组构成,一、鼠笼感应风力发电机组 二、绕线式感应发电机组 三、双馈异步发电机组 四、绕线式同步机的直驱机组五、绕线式同步机齿轮驱动机组六、永磁直驱同步发电机组七、半齿轮驱动永磁机组,一、鼠笼感应风力发电机组,1. 原理2. 构成3. 应用范围4. 优缺点,1. 鼠笼机原理,风力发电厂,转子类似鼠笼，定子类似同步电机定子。 定子通电后，旋转磁场在转子鼠笼条中产生感应电流；
2、 转子电流与气隙旋转磁场相互作用，从而在转子上产生转矩，这就是电动机原理；如果外力拖动转子，当转速超过同步速时，反电势就会在定子中感生出电流。 是发电还是电动取决于转差率S, 当S为负值，则为发电机，对风电S为-1%至-2% 转差率S是同步旋转速度Ns和实际转子转速N间的相对差，即 S=(Ns -N)/Ns,2. 鼠笼风电机组的构成,3. 应用范围,单一鼠笼感应机在MW级以下的定速风机中获得了广泛的应用；带有单一具备双速绕组的鼠笼感应机；通过改变绕组改变极对数。例如，高速时用4极，低速时用6极；带有两台分开的具有不同等级的鼠笼感应机，应用较少；带有单一鼠笼感应机（SCIG）的风机，其定子通过电
3、力电子变换器（PEC）与电网相联，可以大范围的变速。这是后面将介绍的变速恒频发电机中的一种。,应用鼠笼机的变速恒频机组,4. 优缺点（1）,4.1 优点：它有一些很好的机械和电气特性，可以在风机中使用，即发电机转差。这个“转差”提供阻尼动作，帮助抑制机械振荡；不要求与电网同步。构造简单，成本低廉，维护方便。它的成本是相同等级的同步电机的十分之一；这种发电机可以用在变速场合；它有一定的超载容量和风速变化容量，机组坚实、可靠；鼠笼转子的极数与定子极数有自适应能力。4.2 缺点：缺少同时控制有功和无功的可能性；因为电网的励磁电流，这些SCIG也消耗无功，总的负荷功率因数（cos）相对低。常用电容组或
4、者静态无功补偿装置（SVC）可以用来补偿无功；对于一个大范围风速，风机叶片不是运行在最佳运行点；它不能提供电压或者频率控制，它需要有一个强劲的电网；SCIG的功率不能很快地进行调整，除非对于变桨距风机进行变桨距操作；它没有故障穿越特性。在故障期间，它们需要被断开。,4. 优缺点（2）,4.2 缺点（续）变化的旋转速度会造成大的输出功率振荡，致使电压振荡，可能造成小的闪变；大的风机转轮机械负荷振荡以及电能振荡被转化成转矩振荡，可能致使齿轮箱故障；用VSI（变速感应机）技术，即使它工作在大的变速范围，它的尺寸也太大了，因而非常昂贵。,二、绕线式感应发电机组,1. 原理2. 构成3. 特点4. 优点
5、与局限5. 感应机的无功补偿,1.绕线式感应发电机原理,WRIG本质上是一台带有定子和转子的感应电机。基本的不同点在转子结构中。 WRIG用铜绕组代替了鼠笼结构，有3相星形连接的绝缘铜绕组，缠绕出与定子相同的极数。 通过滑环和电刷连接外部可调电阻器。高于额定转速时，有效地控制外部电阻，使转差率可控。 通过设定更大的转子电阻或更大的漏电抗，获得更大的滑差，适于较大容量的风机。 能在狭窄的变速范围内变速，WRIG是恒速运行和变速运行之间的折中方法。,可调电阻通过滑环串入转子绕组中,2. WRIG风力发电机组的构成,3. WRIG的特点,保留了SCIG的优点，能能在狭窄范围内变速；转差率直接正比于转
6、子电阻，输出转矩正比于转差率；由于转差率有较大改变，以致电机的转速可改变10%以上。Suzlon 2.1MW 4极WRIG风机转速甚至可以变化到额定转速的16.7%；借助于调转差率的变速运行，比调桨要快；将电阻器旁路，转子电气上看起来和SCIG相同；,转子电气上看起来和SCIG相同时，将电阻器旁路,转子电气上看起来和SCIG相同时，将电阻器旁路,4. 优点与局限（1）,4.1 优点：与相同额定输出功率的SCIG相比，WRIG在强惯性负荷和低起动电流下有更好的起动转矩，更高的效率和功率因数。与SCIGs相比，因为增加了转差率，它对电网的运行变得比较灵活。转子动力阻尼得到了很大的改进。阵风时如果感
7、应电机有高的转差率，阵风中的部分能量可以转换成转子的加速度，因此叶片转矩角不需要瞬间变小。阵风不仅能通过机械惯性缓冲，也能将能量存储在中间电容器里。控制更简单，因为不管转子的频率为多少，磁化电流是几乎恒定的 。,4. 优点与局限（2）,每提高1%的转差率，就会有1%的附加损耗。转子的转差功率以热损失的形式丢失。又加重了机舱的冷却负担。增加了可调电阻，增加了滑环，从而增加了维护费用。WRIG 不像SCIG那样坚固耐用；增加了绕线转子和控制器件，造价也比SCIG高了。同时，增加了维护成本。 对有功功率和无功功率的控制不是很优质的。,5. 感应机的无功补偿手段,机械开关旁路电容静态无功补偿装置（SV
8、Cs），例如 可控硅开关电容器（TSCs） 晶闸管控制电抗器（TCR）静态补偿器（STATCOMs）动态电压补偿（DVR）电力电子接口取决于输入参数的特性,三、双馈异步发电机组,1. 原理2. 构成3. 特点4. PEC在风电机组中的作用5. 优点与局限,1. 原理,总体上是一个带有三相定子线圈的异步发电机，定子线圈直接与电网相连；并且三相转子线圈通过滑环和PEC与电网相连，这里的PEC仅承担额定功率的30%；风机转子电路中的能量通过回收、处理和转换，最后通过部分范围的背靠背PEC输送给电网（替代了WRIG中的无源电阻器）；大风时，桨矩调节和PEC控制协调进行；转子电路的PEC通过给风机转子电
9、路注入频率可变的电流来补偿风机机械频率和电气频率的差额；在次同步状态，PEC可以从线路为转速不足的转子“借来”能量，并且传递给定子，使定子仍然能够为电网提供频率为50Hz的电能；当潮流反向时，电网侧PEC起变换器的作用，转子侧PEC起逆变器的作用。,转子注入电流频率的推导,N1=60f1/p (1)其中， N1 同步转速 f1 电网频率 N2=60f2/p (2) 其中， N2 旋转磁场相对于转子本身的旋转速度 f2 在转子上通入电流的频率令N为电机转子本身的机械旋转速度，则要求： NN2=N1=50Hz (3)双馈电机的转差率 S=(N1-N)/N1 (4)则双馈电机转子三相绕组内通入的电流
10、频率应为 F2=pN2/60=p(N1-N)/60=(pN1/60)(N1-N)/N1)=f1S结论：当异步电机的转子以变化的转速旋转时，只要在转子的三相绕组中通入转差频率f1S的电流，则在双馈电机的定子绕组中就能产生50Hz的恒频电势。,超同步与次同步状态,超同步运行,次同步运行,2. DFIG风电机组的构成,DFIG机组的塔底控制柜,电容器组,晶闸管,耦合变压器,开关电容器的晶闸管：它比接触器响应快,软启动器,3. 特点,融合了异步发电机（如鲁棒性好）和同步发电机（如可变风速运行）的优点 最小化风机峰值电压、控制闪变以及谐波风机的变速范围可以达到额定转速的 30%左右控制转子注入电流的频率
11、可以对发电机进行变速控制，而控制转子注入电流的幅值和相位可以对功率因数进行控制。在转子侧引入crowbar电路。当发现转子侧变换器有被伤害的危险时，crowbar就会动作使转子短路，免受高电压大电流的伤害。,4. PEC在风电机组中的作用,风电机组运行的可控性更强； 有功功率和无功功率可控； 改善了电能质量和稳定性； 减少了传动系统的负载和噪音； 可以直接驱动。,5. 优点与局限（1）,5.1 优点由于转子电流可调，转速可以在有效范围内变化，同时可以利用足够的有效能量。由于PEC可以控制转子电压，所以DFIG可以吸收和输出无功功率。在电压可能出现波动的脆弱电网中，可以控制DFIG从电网吸收或向
12、电网输出大量的无功功率。从而使设备在严重的电压波动时可以继续并网运行，有利于电网稳定。基于PWM的PEC也可用来进行频率调节。现成的WRIG可以被用来改装成DFIG。,5. 优点与局限（2）,5.2 局限系统中同样需要齿轮箱，同时为转子提供能量的滑环和电刷的机械组合，这通常都是薄弱环节，需要认真维护。这些大功率的滑环和电刷，容易被转轴中的杂散电流损伤。除此之外，杂散电流还会在发电机转轴上激起电弧，这将引起点蚀，这部分更换比较麻烦。定子侧的电压暂变引起磁通波动，导致转矩脉动，如果很大将引起转动系统的机械应力。而且，转矩波动会通过PEC的直流环节引起功率波动。由于PEC对过电流很敏感，所以它很难抵
13、御电压暂降的扰动，若不设定的比额定电压略高，转子电路中的高电压和大电流可能会使它损坏。 PEC中的电能损耗较大。,四、绕线式同步机的直驱机组,1. 原理2. 构成3. 特点4. 全功率PEC的主要功能5. 优点与局限,1. 原理,直驱风机中，大直径凸极转子直接连到风机转子上，以在同步速旋转。因为风速的变化，风机的机械转子转速以及发电机机端的电气频率也是变化的。因为电气频率与电网的频率不匹配，所以发电机需要与电网解耦。因此，要求WRSG的定子通过4象限工作的PEC与电网连接。PEC经过AC-DC-AC的变换，将电能按额定的电压和频率送入电网。,2. 线绕直驱同步机的构成,6MW多级WRSG直驱机
14、组,3. 特点,WRSG是他励磁发电机，由系统提供直流励磁；WRSG本身有很高的功率因数，因为它不从电网中吸收任何的磁化电动势； 全功率变流；通过发电机电流控制功率； 通过桨距角设定实现最大功率点追踪（MPPT），捕获最大能量，在很大的速度范围内运行时提高发电机电能产量和可靠性；同步发电机不需要安装无功补偿系统；如果电网的功率因数变低了，不用任何电容器，PEC将会自动向电网反馈无功以提高功率因数；直驱风机可以进行功率梯度调节，以平抑闪变和电压波动；提供一定限度内的故障穿越能力，在系统发生故障时仍能保持与电网连接。,4. 全功率PEC的主要功能,风机转子侧的能量缓冲功能，用于缓冲由阵风所引起的波
15、动，并控制从风机转子侧传来的干扰；防止电网侧传来的干扰到达WRSG；控制发电机励磁系统，并避免常规同步机与电网频率保持同步残留的一些问题；通过使用PEC，可以完全控制无功功率。,5. 优点与局限（1）,5.1 优点：结构简单，取消了齿轮箱和高速轴，不需要油冷和相应的监测系统，降低了故障率，减少了维护；可以不需要机械制动，纯粹由叶片大角度时的空气阻力提供制动；有很大的气隙因而有较高的过载能力；全功率PEC对于电网中的电压暂降有更好的控制和穿越能力；WRSG能运行在感性和容性两种模式下，这对于大型风机和脆弱电网而言是有利的。PEC能使得电压和频率得到更灵活的控制，从而使有功和无功能在正常的和较小的
16、干扰中得到完全的控制；大范围变速使风机能运行在最佳功率系数“Cp”下，因此在给定的风速条件下会有一个较高的总体风机发电效率。,5. 优点与局限（2）,5.2 局限： WRSG不及鼠笼电机耐用，电机外径过大，电气结构更复杂，价格也更贵； PEC中的IGBT开关对过热，过电流和过电压非常敏感。在这些情况下，PEC可能闭锁，即停止开关操作。从而可能导致风机从电网切出；由于定子电路中PEC的存在，该类型的发电机对于系统惯性无任何帮助，这点不如WRIG机组；另外一个重要问题是在PEC中会产生谐波。通过使用IGBT的PWM电路，这也能减小到可以接受的水平。,五、绕线式同步机齿轮驱动机组,1. 原理2. 构
17、成3. 特点,1. 原理,为了克服直驱机组发电机外径过大、电机结构复杂的缺点,恢复使用齿轮箱；采用4极同步机，齿轮箱尺寸相应减小；利用常规的绕线同步机，尺寸大为减小，转速大为提高。比如采用4极同步机，转数为1440rpm;电机输出与电网解耦，采用全功率变频与电网相连；,2. 机组构成,KENERSYS 2/2.5MW 高变速风机,常规4极WRSG 全功率PEC 高速轴盘式刹车 行星齿轮箱,3. 特点,齿轮箱和电机和谐发展， 使系统变得简洁紧凑；仍然采用全功率PEC，齿轮 箱和PEC均需冷却，比如 水冷；变桨与PEC协同动作；Gamesa的“Made”2MW风机 在其PEC中采用了新型IGCT
18、（代替IGBT）；是桨距调节系统（变桨马 达）安装在轮毂外部 。,桨矩角与风机转速特性,六、永磁直驱同步发电机组,1. 原理2. 机组构成3. 永磁同步机的分类4. 机组特点5. 齿槽效应6. 优点与局限,1. 原理,采用同步发电机，利用多级实现低转速，与缓慢的风机叶片转速一致 ；采用钕铁硼永磁体，甩掉了励磁，省去了铜绕组，提高了效率；永磁体对温度敏感，这里使用了细致的冷却方案；发电侧电力电子矢量控制电路保证了定子侧有功与无功的解耦。发电侧逆变器控制转速，进而控制发电功率。让风机转子的气动力效率（Cp）得到优化，实现捕获风能的最大功率点跟踪； 电网侧逆变器控制入网电流，维持直流输入点的电压恒定
19、，保持发电机和电网之间潮流一致性，有效控制输入电网的有功和无功功率。电网侧有专门的滤波器减少频率控制器产生的谐波，以改善电能质量。,永磁直驱外转子风电机组,永磁直驱机组结构示意,永磁同步机定子（发电部件）,2. 永磁直驱机组的构成,3.8MW永磁同步发电机的结构,3. 永磁同步机的分类,3.1 径向磁通永磁发电机 分内转子和外转子两种。3.2 轴向磁通永磁发电机 分单边定子和双边定子 两种。,轴向磁通，单边定子,3.1 径向磁通永磁发电机,3.2 轴向磁通永磁发电机,(i) 磁通路径 (ii) 永磁体附在转子两边表面 (iii) 永磁体嵌入转子,双边定子优点：电机齿槽力矩、振动、噪音都很小，轴
20、距也短。,4. 机组特点,省略了集电环和电刷；永磁发电机正常情况下不需要安装阻尼绕组；永磁体能在气隙中产生很强的磁通密度，允许气隙稍大；永磁体为大范围可变速的风机提供了高的功率因数； 叶片桨矩调节采用了皮带轮传动，省去了润滑和密封； 永磁体电机轴距短，结构紧凑；永磁体的磁感强度不可调节，当加入负载时输出电压会降低，所以往往需要一个电压控制器；风机的最大优点在于功率输出是正弦波；PMSG在运营速度范围内效率都很高，即使在没满发时功率波动和转子噪音都很小；齿槽效应是永磁体同步机的固有特性，设计时应给予注意。,5. 齿槽效应,定义：齿槽效应是由发电机转子位置不同引起磁场在空间内的疏密变化导致的力矩震
21、荡。当永磁体切割定子磁场时会产生一个力矩，磁导的波动产生的力矩就叫做齿槽效应。危害：齿槽会导致整台风机 的振动，增加传动系统中的 应力，甚至在某些转速下提 高了塔架和叶片发生谐振的 概率。,6. 优点与局限,6.1 优点：能重比高。高能量密度带来的是体积小重量轻；没了转子铜损，温度等级降低了，削减了冷却装置，免除了集电环，特别是省去了齿轮箱，发电机设计得更紧凑，降低了成本，减少了维护； 永磁体免除了占一半风机能量损耗20%到30%的励磁损耗，使得未满发状态的能效比感应电机和WRSG都高；稀土永磁体能够在极小的体积内产生很强的磁通，这使多磁极设计变得可行，更适于直驱风机的低转速；外转子设计，给出
22、了最大的气隙直径和磁体的冷却空间，使扭矩更强。6. 2 局限：直驱风机电机外径太大，增加了机械设计的难度；退磁问题尚未经时间检验；永磁体同步机的齿槽力矩会导致整台风机的振动，设计时应予充分地考虑。,七、半齿轮驱动永磁机组,1. 原理2. 机组构成3. 机组特点4. 优点与局限,1. 原理,永磁发电机和中间齿轮是集成在一起的，省去了常规齿轮驱动风机的高速轴。电机转速是150-200rpm；叶片旋转带动单级行星齿轮。传动装置中速轴驱动着永磁发电机，可以吸收有害力矩，保护变速箱；永磁体直接装在转子上， 充当一部分频率控制的角 色。定子输出端与PEC相 连，把发电机产生的能量 传上电网。,2. 机组构成,3. 机组特点,半齿轮传动永磁机结合了齿轮驱动和直驱风机的优点，为适应各种转速、避免极高和极低转速提供了优化方案。避免复杂的多级变速箱，减小了电机体积，降低机顶质量使风机更高效，机舱更紧凑。特别适用于高单机容量的风机。,4. 优点与局限,4.1 优点：简化了齿轮箱，缩小了电机尺寸，齿轮箱与电机集成在一起，结构紧凑；避免了感应机转速过快的短处，降低了故障时的应力；4.2 局限：必然又引入了齿轮箱，增加了机械维护的工作量。,几种机型的比较,恭 祝 各 位 奋战在风电领域前程无限,
