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风力发电技术风力发电机系统两大核心系统：风力机系统＋发电机系统一个灵魂：系统控制器风力机系统：桨叶轮毂主轴调桨机构（液压或电动伺服机构）偏航机构（电动伺服机构）刹车、制动机构风速传感器发电机系统：发电机励磁调节器（电力电子变换器）并网开关软并网装置无功补偿器主变压器转速传感器风力发电机系统§5.1风力发电机组分类（1）按风轮桨叶分类失速型：高风速时，因桨叶形状或因叶尖处的扰流器动作，限制风力机的输出转矩与功率；变桨型：高风速时，调整桨距角，限制输出转矩与功率。（2）按风轮转速分类定速型：风轮保持一定转速运行，风能转换率较低；变速型：包括以下两种方式双速：可在两个设定转速下运行，改善风能转换率；连续变速：连续可调，可捕捉最大风能功率。（3）按传动机构分类升速型：用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机。直驱型：将低速风力机和低速发电机直接连接。直驱风力机（4）按发电机分类异步型：笼型单速异步发电机、笼型双速变极异步发电机；绕线式异步发电机。同步型：电励磁同步发电机；永磁同步发电机。（5）按并网方式分类并网型：直接或间接并入电网，可省却储能环节。离网型：需配储能环节，也可与柴发、光伏并联运行。按功率调节方式分：定桨距（失速型)、变桨距按叶轮转速是否恒定分：恒速发电机、变速发电机其它机型：主动失速型、无齿轮箱型§5.1风力发电机组分类§5.2风力机基本型式水平轴式风力机§5.2风力机基本型式§5.2风力机基本型式风轮旋转平面与风向垂直叶片径向安装，与风轮旋转平面成一角度大型风力机叶片数少，转速高，用于发电小型风力机叶片数多，转速低，用于提水萨瓦里欧斯式风力机§5.2风力机基本型式垂直轴式风力机利用空气动力的阻力做功启动转矩较大风轮产生不对称气流，受侧向推力风能利用系数低，提供的功率较低，不宜用作发电§5.2风力机基本型式达里厄式风力机利用翼型的升力做功Φ型风轮弯叶片只承受张力，不承受离心力载荷Φ型叶片重量轻，转速高不便采用变桨矩方法实现自启动和控制转速扫掠面积小§5.2风力机基本型式风力发电机系统的分类：恒速恒频风力发电机系统:（1）同步发电机系统（2）笼型异步发电机系统（3）绕线转子RCC异步发电机系统变速恒频风力发电机系统:（1）变速恒频鼠笼异步发电机系统（高速）（2）变速恒频双馈异步发电机系统（高速）（3）变速恒频电励磁同步发电机系统（中、低速）（4）变速恒频永磁同步发电机系统（中、低速）（5）变速恒频横向磁通发电机系统（中、低速）§5.3风力发电机三要素：（1）同步发电机（2）调速器（3）励磁调节器恒速恒频同步风力发电机系统同步风力发电机的定、转子结构恒速恒频同步风力发电机系统同步风力发电机的并网条件:发电机输出的三相交流电压与电网电压应满足四同条件，即：“同相序、同幅值、同频率、同相位”同相序：由正确的旋转方向保证同幅值：由励磁调节器自动保证同频率：由调速器保证，桨距调节可用作并网调速器同相位：由调速器微调实现恒速恒频同步风力发电机系统同步风力发电机系统的主要问题:（1）并网问题：并网控制复杂，对调速器要求过高，并网过程长，成功率较低，冲击电流不易控制，不适合于频繁脱、并网的风力发电机。（2）运行问题：转子转速受电网频率的钳制，发电机呈现刚性机械特性。转子受到的冲击应力大，电磁功率波动快，风力机的风能转换率偏低。（3）过载问题：高风速时，对变桨调节的动态响应要求高，无法利用转子惯量缓冲。留给过速保护的响应时间太短。恒速恒频同步风力发电机系统极少被采用！恒速恒频同步风力发电机系统三要素：（1）异步发电机（2）调速器（3）无功补偿器恒速恒频笼型异步风力发电机系统恒速恒频笼型异步风力发电机系统笼型异步风力发电机的工作原理—旋转磁场(1)向对称三相绕组中通入对称三相交流电流，可形成行波磁场；(2)如果绕组分布在圆周上，则行波磁场为旋转磁场；(3)旋转磁场在一个圆周内，呈现出的磁极（N、S极）数目称为极数，用2p表示。(4)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f和极对数p：恒速恒频笼型异步风力发电机系统笼型异步风力发电机的工作原理—电磁感应（1）定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速n1旋转（2）旋转磁场在转子导条中产生感应电动势e和电流i（3）i在磁场中受力f，产生电磁转矩T（4）若转子以转速nn1,向n1的方向旋转，T为制动转矩转差率:同步转速n1与转子转速n的差与同步转速n1的比值，称为转差率，用s表示，即:恒速恒频笼型异步风力发电机系统恒速恒频笼型异步风力发电机系统笼型异步风力发电机系统的特点:（1）无功补偿：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；（由于负荷经常变动，固定电容难以做到完全补偿。可能出现过补或欠补现象，造成电网电压浮动。可考虑在变电站加装可控无功补偿装置SVC）（2）软并网：并网瞬间与异步电动机起动相似，存在很大的冲击电流，应在接近同步转速时并网，并加装可控硅软起动限流装置；恒速恒频笼型异步风力发电机系统（3）过载能力：发电机的机械特性曲线较硬，允许转子转速变动范围小，导致风力机的风能转换率偏低。风速不稳时，风电机组容易受到冲击机械应力；（软特性发电机的转子损耗较大，发热严重）（4）高效轻载：绝大部分时间处于轻载状态，要求发电机的效率曲线平坦，在中低负载区效率较高。可考虑在轻载区，将定子绕组由角接改为星接，降低铁耗。恒速恒频笼型异步风力发电机系统笼型双速异步风力发电机系统的特点（1）变极双速笼型异步风力发电机方案在同一台发电机的定子铁心中，埋设两套不同极对数的电枢绕组（通常为4/6极）。根据需要，可在两套绕组切换，以获得合适的运行转速。高速绕组角接，低速绕组星接，以降低轻载运行时的铁心磁密和损耗。（2）大、小电机方案：采用两台不同容量、不同极对数的单速笼型异步发电机同轴串联。高速发电机角接，低速发电机绕组星接。根据需要，可在两套绕组切换。与变极双速方案相比，小电机的负荷率较高，发电效率更高。恒速恒频笼型异步风力发电机系统恒速恒频RCC异步风力发电机系统RCC：RotorCurrentControl，转子电流控制定义：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。恒速恒频笼型异步风力发电机系统优点：（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。恒速恒频笼型异步风力发电机系统变速恒频笼型异步风力发电机系统系统特点：（1）交直交变频器使发电机转速与电网频率间的关联解耦；笼型异步风力发电机运行于变速变频发电状态；可利用发电机的电磁转矩控制风力机转子的转速，跟踪其最大功率点。发电机的运行转差率小，发电机机械特性硬，运行效率高；（2）发电机侧变频器运行于升压整流状态，机端电压可调，轻载运行时发电机的铁耗小、效率高；（3）电网侧变频器运行于逆变状态，将发电机发出的有功传送至电网，并可作为无功发生器参与调节电网无功；对电网波动的适应性好，可以将电网的波动屏蔽于发电机之外；（4）变频器与发电机功率容量相等，系统成本高。变速恒频笼型异步风力发电机系统变速恒频双馈异步风力发电机系统双馈异步风力发电机＋交直交双向功率变换器国产1MW双馈异步风力发电机变速恒频双馈异步风力发电机系统绕线型转子三相异步发电机的结构变速恒频双馈异步风力发电机系统绕线型绕组的联结方式变速恒频双馈异步风力发电机系统双馈异步发电机的运行原理—转子交流励磁（1）转子电流的频率为转差频率，跟随转子转速变化；（2）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；（3）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；（4）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（约为电磁功率的0.3倍，|s|0.3）变速恒频双馈异步风力发电机系统系统特点：（1）连续变速运行，风能转换率高；（2）部分功率变换，变频器成本相对较低；（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）双向变频器结构和控制较复杂；（8）电刷与滑环间存在机械磨损。变速恒频双馈异步风力发电机系统变速恒频电励磁同步发电机系统（中、低速）（1）连续变速运行，风能转换率高；（2）通过调节转子励磁电流，可保持发电机的端电压恒定；（3）可采用不控整流和PWM逆变，成本低于全功率变换；（4）电能质量好，并网简单，无冲击电流；（5）降低桨距控制的动态响应要求，改善桨叶上机械应力状况（6）转子可采用无刷旋转励磁；（7）转子结构复杂，励磁消耗电功率；（8）体积大、重量重，效率稍低。变速恒频电励磁同步发电机系统（中、低速）变速恒频永磁同步发电机系统（中、低速）系统特点：（1）连续变速运行，风能转换率高，可降低桨距控制的动态响应要求，改善桨叶上机械应力状况；（2）具有最高的运行效率；（3）励磁不可调，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，同时还可控制发电机电磁转矩以调节风轮转速；（4）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；（5）永磁发电机体积大、重量重，成本高；全容量全控变流器控制复杂，成本高；（6）永磁发电机存在定位转矩，给机组起动造成困难。变速恒频永磁同步发电机系统（中、低速）变速恒频横向磁通发电机系统（中、低速）半直驱或直驱新结构发电机与电力电子变流器相结合，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！（1）笼型异步风力发电机系统成本低、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。将在未来十年内继续成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。小结