风力发电之风机发电原理-课程PPT

风力发电原理

第4章风力发电机

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风力发电原理 4.1 发电机的工作原理

4.2 风力发电系统中的发电机

4.3 并网风力发电机

第4章风力发电机

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风力发电原理 连接在旋转轴上的发电机，在接收风轮输出的机械转矩随轴旋转的同时，产生感应电动势，完成由机械能到电能的转换过程。

有齿轮箱传动系统的并网风力发电机组结构示意图

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风力发电原理4.2风力发电系统中的发电机

风电机组中的发电机类型：异步交流发电机，同步交流发电机，双馈异步交流发电机、永磁直驱同步交流发电机和直流发电机。

发电机不同，所组建的风力发电系统的容量、结构和对应的控制策略也不同。原因：

1）风力发电系统面向的供电对象不同（并网供电系统，离网的独立带负载系统）；

2）制造厂商在设计过程中考虑问题的角度、关键技术不同（带齿轮箱结构、直驱结构）；

3）各种发电机自身特点不同；

4）电力电子器件的发展，使高效率高性能的变流器成为可能，为具有不确定性和间歇性能源特点的风力发电系统的变速恒频运行提供有力支持。

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风力发电原理 并网运行的风电机组多为大、中型机组，使用交流发电机。

1.恒速/恒频系统发电机结构

恒速恒频系统的发电机转速不随风速变化而变化，而是维持在保证输出频率达到电网要求的恒定转速上运行。

维持发电机转速恒定的功能主要通过风力机完成（如定桨距风力机）。

该风电机组在不同风速下不满足最佳叶尖速比，不能实现最大风能捕获，效率低。

采用的发电机主要有：同步发电机和笼型异步发电机（以稍高于同步速的转速运行）。

4.2风力发电系统中的发电机

4.2.1 并网风电机组使用的发电机

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风力发电原理2.变速/恒频系统发电机

不同风速下为实现最大风能捕获，提高风电机组的效率，发电机的转速必须随着风速的变化不断调整，其发出的频率需通过恒频控制技术来满足电网要求。

变速恒频风电机组是目前并网运行的主要形式，使用的发电机包括：

(1) 双馈异步交流发电机

(2) 永磁低速交流发电机

4.2风力发电系统中的发电机

4.2.1 并网风电机组使用的发电机

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风力发电原理2.变速/恒频系统发电机

(1)双馈异步交流发电机

?是转子交流励磁的异步发电机，转子由接到电网上的变流器提供交流励磁电流。

?转子转速变化时，如以转差频率的电流来励磁时（转子电流频率f 2=sf 1时），定子绕组中就能产生固定频率f 1的电动势。

?该发电机可在变速运行中

保持恒定频率（电网频率）

输出，且变流器只需要转

差功率大小的容量。目前

MW 级有齿轮箱型风力发

电机组的主流机型。

4.2风力发电系统中的发电机

4.2.1 并网风电机组使用的发电机

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风力发电原理2.变速/恒频系统发电机

(2) 永磁低速交流发电机

?采用转子在外圈，由多个极对数的永久磁铁组成，定子三相绕组固定不转。(和水轮同步发电机类比)

?磁极数多，同步转速很低，可直接由风轮驱动，提高传动效率，通过变流器实现恒频输出。

?该发电机直径、重量大。

4.2风力发电系统中的发电机

4.2.1 并网风电机组使用的发电机

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风力发电原理 离网运行风电机组一般单台独立运行，发出的电能不接入电网。

机组容量较小，专为家庭或村落等小的用电单位使用，常与其他发电或储电装置联合运行。

4.2风力发电系统中的发电机

4.2.2 离网风电机组使用的发电机

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风力发电原理 4.1 发电机的工作原理

4.2 风力发电系统中的发电机

4.3 并网风力发电机

第4章风力发电机

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风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.1 同步发电机

1.恒速恒频方式运行的并网同步风力发电机

由图，同步发电机没有经过变流器，直接和电网相连，并网后，发电机转速应维持同步转速，以便维持频率与电网频率相同，否则与电网解列。

要求风力机必须配有精确的调速机构，当风速变化时，能维持发电机的转速等于同步转速——同步发电机恒速恒频运行方式

风力驱动的同步发电机与电网并联

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风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.1 同步发电机

1.恒速恒频方式运行的并网同步风力发电机

调速系统控制风力机转速及有功功率，励磁系统调控同步发电机的电压及无功。

在没有变流器的风力同步发电机系统中，发电机并网后，对发电机的电压、频率及输出功率必须进行有效控制，否则失去同步。

恒速恒频发电系统，实际中很少采用。

带有调速机构的同步风力发电系统

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风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.1 同步发电机

2.变速恒频方式运行的并网同步风力发电机

（1）取消齿轮箱的变速恒频运行方式

若同步发电机通过变流器并入电网，该运行方式为变速恒频（风力机及发电机的转速随风速变化，通过变流器保证输出的电能频率等于电网频率），此时不需调速机构。

由风轮直接驱动同步发电机进行变速恒频运行——直驱发电机

（2）带有齿轮箱的变速恒频运行方式

该运行方式需要全功率变流器。

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风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.2 异步发电机

异步发电机，并网时机组调速的要求不严格，运行可靠、成本低，广泛应用于小型离网运行的风电系统和并网运行的定桨距失速型风电机组中。

缺点：必须从电网吸取无功电流来励磁，电网功率因数降低.只具备有功功率调节能力，不能调节无功。

通常需接入电力电容器，进行无功补偿，经济性降低。

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风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.2 异步发电机

1.定桨距并网运行的双速异步风力发电机

在由定桨距风力机驱动的大容量异步风力发电机，转速运行范围在n 1-1.05n

1之间（s 很小）。

可理解为

异步发电机是以稍高于三相定子电流旋转磁场速度运行的恒速电机

定桨距恒速恒频运行的并网异步风力发电机系统

异步发电机的T-s 特性曲线

稳定运行区段16

风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.2 异步发电机

1.定桨距并网运行的双速异步风力发电机

风力机若运行在最大效率，当风速变化时，风轮转速必须和风速保持最优叶尖速比，必须根据风速调整发电机转速以匹配最优叶尖速比。

定桨距风力发电系统中异步发电机只能运行在稍高于定子同步速的恒定速度上，风电机组运行过程中只是在某一风速下实现了最大风能捕获，而其他风速下效率不高。

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风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.2 异步发电机

1.定桨距并网运行的双速异步风力发电机

为提高低风速下机组运行时的效率，采用双速发电机。 双速异步发电机：具有两种不同的同步转速（低、高同步转速）的电机。

9低风速时小电机运行，高风速时大电机运行，可提高风能利用率，且可减少机组的起/停次数，延长机组使用寿命。9600kW 定桨距风电机组设计成6极150kW 、同步速1000r/min 和4极600kW 、同步速1500r/min 。

9并网运行时，需要功率控制系统控制小容量和大容量发电机之间的切换。

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风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.2 异步发电机

1.定桨距并网运行的双速异步风力发电机

双速发电机的三种改变电机定子绕组的极对数方法：

1）采用两台定子绕组极对数不同的异步电机，一台低同步转速，一台高同步转速。

2）在一台电机的定子上放置两套极对数不同的相互独立的绕组，即双绕组的双速电机。

3）在一台电机的定子上仅安置一套绕组，靠改变绕组的连接方式获得不同的极对数，即单绕组双速电机。

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风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.3 双馈异步发电机

DFIG 广泛应用于MW 级大型有齿轮箱的变速恒频并网风力发电机组。

电机转子通过集电环与变频器连接，采用交流励磁；

变速运行时，定子可发出和电网频率一致的电能，并可根据需要实现转速、有功、无功功率、并网的复杂控制；

一定工况下，转子也向电网馈送电能；与变桨距风力机组成的机组可实现低于额定风速下的最大风能捕获及高于额定功率的恒定功率调节。

双馈异步发电机构成的变速恒频风力发电系统结构

20风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.3 双馈异步发电机

1. 结构及特点

定子结构与异步电机定子相同，具有分布的交流绕组。转子结构带有集电环和电刷。

与绕线转子异步电机和同步电机不同点：转子三相绕组是交流励磁，可输入、输出电能。由接到电网上的变流器提供交流励磁电流。

DFIG 不仅定子始终向电网馈送电能，一定工况下转子也可向电网馈送电能，即发电机从定、转子两端馈送能量——"双馈"

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风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.3 双馈异步发电机

1. 结构及特点

双馈异步发电机向电网输出的功率由两部分组成：直接从定子输出的功率+ 通过变流器从转子输出的功率（发电机转速大于n 1，

发出电功率）。风电系统中应用的两种不同冷却方式的双馈异步发电机

22风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.3 双馈异步发电机

1. 结构及特点

双馈异步发电机，从其转速是否与同步转速一致来定义，则其应称为异步发电机，但性能上又不像异步发电机（由电网通过定子提供励磁，转子本身无励磁绕组，无法改变功率因数）。

双馈异步发电机与同步发电机的共同点：

9转子都具有独立的励磁绕组；

9可调节功率因数，调节有功和无功功率

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风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.3 双馈异步发电机

1. 结构及特点

双馈异步发电机优越性：

9实行交流励磁（同步发电机，直流励磁），励磁电流的可调量为其幅值、频率和相位。

9调节励磁电流的频率，可保证发电机转速变化时发出电能的频率保持恒定；

9调节幅值，可调节发出的无功；

9相位，使转子电流产生的磁场在气隙空间上有一位移，改变了发电机电动势相量与电网电压相量的相对位置，调节了发电机的功率角（改变P em ），即可调节有功。

24风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.3 双馈异步发电机

2. 双馈发电机变速恒频运行的基本原理

只要转子旋转磁场的转速n

2（相对于转子）与转子自身的机械速度n 之和等于定子磁场的同步旋转速度n 1: n +n 2=n 1 则定子绕组感应出的电动势频率将始终为电网频率f 1。 不论发电机的转子转速n 如何变化，只要励磁电流频率f

2满

足上式，则其就能发出恒定频率

50Hz 交流电。

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风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.3 双馈异步发电机

2. 双馈发电机变速恒频运行的基本原理

n 用转差率s 代替时

转子变速运行时，控制转子电流频率f 2，可使f 1恒定。 只要在转子绕组中通入转差频率（sf 1）的电流，即可实现变速恒频运行目的。

26风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.3 双馈异步发电机

3. 双馈异步发电机的功率传递关系

根据转子转速的变化，发电机有三种运行状态：

1）亚同步状态发电机转速n

2的电流产生的旋转磁场转速n 2与转子方向相同，此时励磁变流器向发电机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能给电网。

2）超同步状态n>n 1时，由频率f 2的电流产生的旋转磁场转速n 2与转子转动方向相反(?)，发电机同时由定子和转子发出电能给电网，励磁变流器的能量流向逆向。

3）同步运行状态n=n 1时，f 2=0，此时通入转子绕组电流的频率为0，即励磁变换器向转子提供直流励磁，和同步发电机一样。

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风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.3 双馈异步发电机

3. 双馈异步发电机的功率传递关系

双馈异步发电机在亚同步及超同步运行时的功率流向28风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.4 直驱型发电机

双馈风力发电机组借助齿轮箱提高转速。

若取消增速机构，采用风力机直接驱动发电机，则必须应用低速交流发电机。

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风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.4 直驱型发电机

直驱式风力发电机是由风力直接驱动的低速发电机，提高了系统效率和运行可靠性，避免增速箱的不利，降低噪声和机械损失。 发电机转子极对数较多，其直径大、结构复杂。

为保证变速恒频运行，定子需通过全功率变流器连接电网。实际中多使用低速多极永磁发电机。

多级永磁直驱式变速恒频风力发电机组结构

30风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.4 直驱型发电机

1. 低速永磁直驱发电机的特点

（1）发电机的极对数多

（2）转子采用永久磁铁转子使用多极永磁体励磁。转子上没有励磁绕组，无铜损耗，效率高。

（3）定子绕组通过全功率变流器接入电网，实现变速恒频

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风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.4 直驱型发电机

2. 结构形式

大型直驱发电机布置结构分为内转子型和外转子型。

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风力发电原理4.3并网风力发电机

4.3.4 直驱型发电机

2. 结构形式

（1）内转子型一种常规发电机布置形式。永磁体在转子上，风轮驱动发电机转子，定子为电枢绕组。

特点:电枢绕组及铁心通风条件好，温度低，外径尺寸小，易于运输。

（2）外转子型定子固定在发电机的中心，外

转子绕着定子旋转。永磁体沿圆周径向均匀安

放在转子内侧，外转子暴露在空气中，磁体通

风散热条件好。

优点：永磁体易于安装固定

缺点：对电枢铁心和绕组通风不利，永磁转

子直径大，大件运输困难。