风电场电气工程第3章风电场主要一次设备（发电机和变压器）课件.ppt

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1、风电场电气系统,第3章 风电场主要一次设备,第3章 风电场主要一次设备1,关注的问题发电机的结构和工作原理是什么？大型发电机的种类有哪些？各自有什么特点？变压器的工作原理是什么？其实际结构式怎样的？变压器的型号和参数有哪些？,教学目标基本掌握发电机和变压器的结构和工作原理识记变压器的型式、参数对风电场的发电机和变压器有具体认知,3.1 风力发电机,3.1.1发电机的结构 目前风电场中应用的风力发电机，大都是三相交流发电机 各类发电机的主体部分都由静止的定子和可以旋转的转子两大部分构成,原动机（例如风力发电中用的风力机）带动转子绕轴旋转，在定子绕组中感应出电势，在闭合的外电路中形成电流从定子绕组

2、出线端（如图中的A、B、C所示）送出。,定子就像一个空心的圆筒，转子像一个实心的滚轴,3.1.1发电机的结构 定子和转子一般都由铁心和绕组构成。绕组多是用铜线缠绕的金属线圈，当然铜线外面要包裹绝缘物质。铁心的功能是靠铁磁材料提供磁的通路，以约束磁场的分布。各种发电机的定子的基本结构是类似的,定子铁心由很薄的圆环状硅钢片叠制而成，内表面开了若干轴向沟槽，用于嵌放定子绕组。,3.1.1发电机的结构电机结构的差别可能主要体现在转子的形状或转子绕组的形状同步机的转子有凸极式和隐极式等类别,凸极式转子铁心，有明显的磁极凸出,隐极式转子铁心的截面为圆形。,3.1.1发电机的结构 异步发电机的转子绕组有鼠笼

3、式和绕线式等,绕线式转子的绕组连接到三个固定在转轴上的铜环，通过电刷引出。可以在转子绕组串入阻抗，以改善电机的启动性能或者调节转速,鼠笼式转子的绕组由嵌放在转子铁心槽内的金属导条和两端的短路环组成,3.1.2发电机的工作原理 发电机的工作原理主要是基于电磁感应现象。电 磁 当导体中通入电流时，在带电导体的周围会产生磁场。如果导体中流过的电流是直流电，则产生恒定的磁场。如果导体中流过的电流是交流电，则产生交变的磁场。磁 电 当处于磁场中的导体做不平行于磁场方向的运动时，导体切割磁力线，就会在该导体中感应出电势 如果该导体与外电路构成了闭合回路，则还会在感应电势的作用下形成感应电流。,3.1.2.

4、1转子绕组通入直流励磁电流同步发电机,转子绕组中的直流励磁电流，形成相对于转子静止的恒定磁场。当转子在原动机（例如风力机）的驱动下以转速n旋转时，那么定子绕组与转子磁场之间便有了转速为n的相对运动，从而在定子绕组中产生感应电势。,当定子绕组中有电流流过时，将产生定子磁场。磁场强度最大的位置在定子内表面圆周上出现的位置是随着时间变化的，可以形象的理解为，磁场强度最大值出现的位置是在定子内表面圆周上旋转的，因此常常将三相对称电流在定子中产生的这种磁场称为旋转磁场。,在同步发电机中，定子绕组中的电流主要是感应出来的，事实上，定子电流的频率是由转子的转速（在同步机中，转子转速n等于同步速n1）决定的，

5、即：,3.1.2.2转子绕组无励磁电流异步发电机,假设定子旋转磁场的转速为n1，当异步机的转子在原动机（例如风力机）的驱动下，以转速n旋转时，转子绕组的导体与定子旋转磁场之间有n-n1的转速差,在转子绕组中感应出的电压和电流的频率也都由该转速差决定。,3.1.2.2转子绕组无励磁电流异步发电机,异步电机转子中感应电流的频率应为：转子磁场的旋转速度（指的是转子磁场相对于转子本身的转速）为：定子绕组中电流的频率f1由感应出该电流的定子绕组与转子磁场的相对转速n1决定，即：转差率的定义如下：同步速n1和电机转子转速n之差与同步速n1的比值，用s表示：,3.1.2.3转子绕组通入交流励磁电流交流励磁式

6、发电机 交流励磁式发电机和异步发电机有些类似，差别在于它主动给转子绕组提供产生转子磁场所需的交流励磁电流。当转子以转速n旋转时，如果能够控制转子绕组励磁电流的频率f2，使得转子磁场相对于转子本身的转速n2（根据需要，可以与转子旋转方向相同或相反）始终满足 则可以在发电机转子转速n发生变化的情况下，仍能保持发电机定子输出电压频率恒定。,3.1.2 大型风力发电机的主流机型 未来并网风力发电的主流机型都是通过电力电子换流器实现风力发电机组的变速恒频控制。变速恒频，即风力机和发电机转子的转速是可变的，而发电机输出电压的频率是恒定的。,3.1.2.1 鼠笼型异步风力发电机 由于风速的不断变化，导致风力

7、机以及发电机的转速也随之变化，所以实际上鼠笼型风力发电机发出的电压频率是变化的 基于电力电子技术的换流器，先将风力发电机输出的交流电压整流，得到直流电压，再将该直流电压逆变为频率、幅值、相位都满足要求的交流电，送入电网。,3.1.2.2 永磁同步直驱式风力发电机 所谓“直驱式”是指，风力机与发电机之间没有变速机构（即齿轮箱），而是由风力机直接驱动发电机的转子旋转。转子的转速就由风力机的转速决定。当风速发生变化时，风力机的转速也会发生变化，因而转子的旋转速度是时刻变化的。为了解决风速变化带来的输出电压频率变动的问题，需要在发电机定子绕组与电网之间配置换流器,3.1.2.3 交流励磁双馈式感应风力

8、发电机组 所谓“双馈式”是指，发电机的定子绕组和转子绕组与电网都有电气连接，都可以与电网之间交换功率。双馈式风电机组的定子绕组与电网直接连接，输出电压的频率可以通过转子绕组中的交流励磁电流的频率调节得以控制。换流器先将电网50Hz的交流电整流，得到直流电，再将该直流电逆变为频率满足要求的交流电，用于转子绕组的励磁。,3.1.2.4 无刷双馈式风力发电机组 无刷双馈式风力发电机组，其定子有两套极数不同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，通过双向换流器接电网。转子为笼型或磁阻式结构，无需电刷和滑环，转子的极对数应为定子两个绕组极对数之和。这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制

9、绕组的作用分别相当于交流励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组,3.1.2.4 无刷双馈式风力发电机组对于无刷双馈发电机，有：fp定子功率绕组电流频率，与电网频率相同；fc定子控制绕组电流频率；fm转子转速对应的频率；pp定子功率绕组的极对数；pc定子控制绕组的极对数。超同步时，式中取“+”；亚同步时，取“”,3.2 变压器,3.2.1 变压器工作原理 3.2.1.1 变压器的电压变换 变压器的基本原理是利用电磁感应现象实现一个电压等级的交流电能到另一电压等级交流电能的变换 变压器的核心部件是铁心和绕组，铁心用于提供磁路，缠绕于铁心上的绕组构成电路 与电源相连的一侧为一次绕组，与负荷相连的一侧为二

10、次绕组,3.2.1.1 变压器的电压变换 一次绕组和二次绕组一般没有电气上的连接，而是通过铁心中的磁场建立联系。对于理想变压器，感应电 压、电流和绕组匝数之间 有如下关系：,每台变压器可以长期流过的最大功率，规定为它自身的额定容量，以kVA来标定。,3.2.1.2 变压器的等效电路 在电力系统的分析中，往往构建变压器的等值电路模型，主要包括三个部分：一次绕组的电路、由磁路等值为电路的励磁电路及二次绕组的电路,3.2.1.2 变压器的等效电路 工程中可以采用空载试验来测定励磁阻抗 变压器绕组的漏阻抗可以通过短路试验测得。在电气设计的工程实际中，为了简化计算，往往忽略掉励磁阻抗的影响，采用如下图所

11、示的简化等效电路。,3.2.2 变压器的结构 大多数电力变压器均为油浸式变压器，即以油作为绝缘和冷却介质，所用的油一般为矿物油。,油浸式变压器由其核心部件（即实现电磁转换的铁心和绕组）、用于调整电压变比的分接头和分接开关以及油箱和辅助设备构成。,3.2.2.1 铁心 变压器铁心的作用是为经过一次绕组和二次绕组的磁通提供低磁阻的磁路 当磁通的大小和方向发生变化时，铁心材料的分子重新排布需要消耗一定的能量，这部分损耗与铁心的磁滞现象有关，称为磁滞损耗 磁通变化时，铁心自身也像绕组一样，会感应出一定的电压和电流，由于这种电流只在铁心的各个小局部循环，因此被称为涡流。涡流会在铁心材料（具有电阻）上形成

12、有功损耗，称为涡流损耗 铁心中的磁滞损耗和涡流损耗统称为铁心损耗，简称铁损,3.2.2.1 铁心 为了降低损耗和噪声，目前常用的铁心材料为晶粒取向电工钢片、高导磁电工钢片、磁畴细化的电工钢片、非晶合金、微晶钢片等高导磁低损耗材料。为了防止铁心内的涡流循环，铁心叠片上一般带有高质量的绝缘涂层，也可采用附加绝缘层。为了充分利用圆形绕组的内部空间结构，常将电工钢带叠积成尽可能接近圆形截面的铁心柱,电工钢片堆叠为铁心柱的实物图,3.2.2.1 铁心 圆柱形铁心柱是所有变压器铁心的共同结构特点，但根据变压器形状的不同，其整体铁心结构有很大区别。单相变压器 单相变压器的铁心形状 对单相变压器而言，其铁心必

13、须包括供磁通返回的心柱。,3.2.2.1 铁心 三相变压器对于三相电力变压器而言，目前最常用的是三相三柱式铁心，有时称为三相芯式铁心 因为在任何时候，由平衡三相电压系统所产生的三相磁通的相量之和都等于零，所以在三相铁心中不需要供磁通返回的旁柱，而且铁心柱和铁轭的截面可以相等。,3.2.2.1 铁心,图为三相五柱式铁心结构，这是降低大型变压器（例如大型联络变压器）或自耦变压器运输高度的另一种铁心结构形式。,通过在套装绕组的心柱外面增加用于构成磁通回路的旁柱的方法，五柱铁心结构降低了铁轭高度。,另一种使用三相五柱式铁心结构的可能情况是要求变压器的零相序阻抗值与正相序阻抗值相当。,3.2.2.2 绕

14、组 变压器绕组绝大多数用铜制成，也有部分采用铝作为导体材料。对于所有容量大于几千伏安的变压器，其绕组导线截面都为矩形。在绕组每匝导线内部的单股导线之间必须相互绝缘，每匝导线也要与邻近的线匝绝缘。这种绝缘就是在导线上沿螺旋方向连续包扎的绝缘纸带，并且至少要包两层绝缘纸，以便外面一层绝缘纸能够覆盖里面一层绝缘纸的接缝间隙。,其扁平截面的铜导体按照多股方式组成了单相绕组，铜导体被纸绝缘材料螺旋状缠绕，以保证绕组间绝缘。,3.2.2.2 绕组 常用的三相心式铁心的变压器，其高低压绕组同心缠绕于铁心柱上,高压绕组,低压绕组,铁心,考虑到和铁心的绝缘，以及分接绕组一般都接于高压绕组，一般将低压绕组靠近铁心

15、布置,3.2.2.2 绕组 低压绕组通常都绕制在由绝缘材料（合成树脂粘结纸板）制成的硬纸筒上 高压绕组的导线截面积比低压绕组的导线截面积要小得多，但高压绕组的匝数却可能是低压绕组匝数的很多倍。高压绕组一般绕制成饼式结构,3.2.2.3调压方式与分接开关 很多变压器在运行时，可以实现对变比的调整，也即对电压的调整。调压的方式有无励磁调压和有载调压 无激磁调压需要在变压器停电以后，通过螺栓来实现绕组连接位置的变换。有载调压方式则可以在变压器带电运行时通过有载分接开关实现对电压的调整。大部分电力变压器将分接线段设置在高压绕组上：因为(1)设置分接线段的目的是为了补偿外施电压的变化，对于除发电机变压器

16、以外的大多数电力变压器而言，其外施电压都是加在高压绕组上的。(2)由于高压绕组内流过的电流较小，因而需要的分接线尺寸也较小，相应分接开关本身通过的电流也小。,3.2.2.3调压方式与分接开关 调压的实现，依赖于绕组匝数的变化，也就是利用分接绕组来调整原边和副变的匝数比。正/反调压结构中高压分接绕组的连接如下：,首先按负极性方式将分接线匝接入绕组中,随着分接位置的上升，分接线匝不断地从绕组中切除绕后将分接线匝按正极性方式接入绕组采用这种调压结构可以减少分接绕组的实际尺寸，但结构较复杂，成本较高。,3.2.2.3调压方式与分接开关 在有载调压中，分接位置的变化，需要依靠分接开关来实现。要求在分接变

17、换过程中，不切断负荷电流；绕组的任何部位都不出现短路现象,左图采用切换开关的电抗式有载调压分接开关，具有两个独立的选择开关和切换开关，两个开关机械连锁，可以顺序操作,当分接位置由1到2变换时，首先打开切换开关2，将选择开关2的分接头从11切换到10，再闭合切换开关。,3.2.2.4变压器油 油浸式变压器的变压器油主要用于散热和充当绝缘介质。变压器的有效冷却很重要。对大多数变压器来说，矿物油是吸收铁心、绕组热量，并将其热量传递给自冷或风冷外表面的最有效介质，有时要借助强迫油循环方式。在大多数电气设备中，有大量不同部件处于不同电位之下，因此需要将它们相互绝缘。变压器常常要在高于额定电压下短时间运行

18、或者耐受操作冲击和雷电冲击的瞬变过电压。变压器油必须具备以下特性以满足要求：低粘度 低倾点（油的倾点是油能够流动的最低温度）高闪点 优良的化学稳定性，很高的电气强度,3.2.2.5油箱、储油柜与附属设备 变压器油箱作为铁心、绕组和介质液体的容器 油箱绝大部分采用钢板制造，其顶盖可以拆除，箱盖通常用箱沿固定，箱盖通常与水平面有1的斜度，以防箱盖外表面积聚雨水。油箱上必须设置用于注油或放油的阀，在需要时还要增设油样阀。在油箱上还要设计适量的可拆卸的小盖板,变压器油箱必须设有一个或多个安全装置，以便释放突然升高的内部压力,压力释放阀,3.2.2.5油箱、储油柜与附属设备 变压器油箱上通常还要设置其它

19、一些附件：在箱盖上设置一个（或几个）温度计座用于测量变压器顶部油温度；一块接线牌或铭牌用于详细标示变压器基本参数；一个接地端子用于变压器主油箱接地。,3.2.2.5油箱、储油柜与附属设备 在使用储油柜的结构中，可以将变压器主油箱的油注到顶盖位置，从而在需要时可以在顶盖上安装套管。但使用储油柜的最重要的特点在于，它可以减小变压器油与大气的接触面积，从而减小油的氧化速度和氧气在油中的溶解程度，而溶解在油中的氧气能缩短油的绝缘寿命。带储油柜的变压器还可以使用气体继电器。气体继电器通常安装在储油柜通向油箱的连管上。套管是将油箱内部的电气连接引出的部件。,油位计,气体继电器,低压侧套管,压力释放阀,温度

20、计（油）,温度计（绕组）,风扇,高压侧套管,套管CT,放油阀门,吸湿器,3.2.2.6变压器的散热 当变压器绕组中产生电阻损耗和其它损耗时，就要产生热量。必须要将这些热量传递到变压器油中，并由变压器油带走。油循环方式主要包括：（1）自然油循环，利用油被加热后所产生的温差压力。油在绕组内部被加热而上升，散热器中受到冷却而下降。（2）强迫（不导向）油循环，使用油泵将冷却油从散热器中抽出并输送到绕组底部，然后再通过绕组导线“上部”和“下部”撑条所形成的垂直轴向油道循环。（3）强迫导向油循环，油的冷却借助一些外部设备来实现,3.2.3 变压器型号表征 变压器型式多样。在设计和生产中往往需要使用型号来表

21、示变压器的特征。变压器型号的表征一般按下列规则：,3.2.3 变压器型号表征 其中关于型号描述的符号，参见下表：,设计序号是设计和生产厂家自定义的，不直接反映变压器本身的型式特征。,3.2.3 变压器型号表征,例3-1：某变压器的型号为SFPZ5-120000/220，简述该变压器的基本型式和参数。解析：对照上表可知，该变压器是“三相”变压器（S），绕组外绝缘介质是“油”（缺省），冷却方式是“风冷”（F），油循环方式是“强迫油循环”（P），绕组数为“双绕组”（缺省），调压方式为“有载调压”（Z）。设计序号为5，表示该产品在同类产品系列中的设计序号。“120000”表示该变压器的额定容量为120

22、000kVA，“220”表示该变压器的高压绕组电压等级为220kV。,3.2.3 风电场中的变压器 大型风电场中常采用二级或三级升压的结构。在风电机组出口装设满足其容量输送的变压器将690V电压提升至10kV或35kV；在汇集后送至风电场中心位置的升压站，经过升压站中的升压变压器变换为110V或220kV送至电力系统。如果风电场装机容量更大，达到几百万千瓦的规模，可能还要进一步升压到500kV或更高，送入电力主干网。,3.2.3 风电场中的变压器 风机出口的变压器一般归属于风电机组，需要将电能汇集后送给升压站，也称为集电变压器,升压站中的升压变压器，其功能是将风电场的电能送给电力系统，因此也被称为主变压器,为满足风电场和升压站自身用电需求，还设置有场用变压器或所用变压器,