发电机的工作原理

基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。

发电机已实施出口产品质量许可制度，未取得出口质量许可证的产品不准出口。

<二>发电机的分类可归纳如下：

发电机分：直流发电机和交流发电机

交流发电机分：同步发电机和异步发电机(很少采用)

交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。

<三>发电机结构及工作原理

发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。

定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。

转子由转子铁芯(或磁极、磁扼)绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。

由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。

柴油发电机工作原理

柴油机驱动发电机运转，将柴油的能量转化为电能。

在柴油机汽缸内，经过空气滤清器过滤后的洁净空气与喷油嘴喷射出的高压雾化柴油充分混合，在活塞上行的挤压下，体积缩小，温度迅速升高，达到柴油的燃点。柴油被点燃，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行，称为‘作功’。各汽缸按一定顺序依次作功，作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转。

将无刷同步交流发电机与柴油机曲轴同轴安装，就可以利用柴油机的旋转带动发电机的转子，利用‘电磁感应’原理，发电机就会输出感应电动势，经闭合的负载回路就能产生电流。

这里只描述发电机组最基本的工作原理。要想得到可使用的、稳定的电力输出，还需要一系列的柴油机和发电机控制、保护器件和回路。详细请进>>>

汽油发电机原理

汽油机驱动发电机运转，将汽油的能量转化为电能。

在汽油机汽缸内，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行作功。各汽缸按一定顺序依次作功，作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转。将无刷同步交流发电机与汽油机曲轴同轴安装，就可以利用汽油机的旋转带动发电机的转子，利用‘电磁感应’原理，发电机就会输出感应电动势，经闭合的负载回路就能产生电流。详细请进>>>

·主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。

·载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。

·切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。·交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。

变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究

风力发电以其无污染和可再生性，日益受到世界各国的广泛重视，近年来得到迅速发展。采用双馈电机的变速恒频风力发电系统与传统的恒速恒频风力发电系统相比具有显著的优势，如风能利用系数高，能吸收由风速突变所产生的能量波动以避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力，以及可以改善系统的功率因数等。

变速恒频双馈风力发电系统的核心技术是基于电力电子和计算机控制的交流励磁控制技术。尽管可采用理论分析和计算机仿真对变速恒频风力发电系统控制技术进行研究，然而由于仿真模型及其参数的非真实性和控制算法的非实时性，仿真研究往往难以代替模拟系统的试验研究。本文在分析双馈电机运行原理和励磁控制方法的基础上，设计和构建了基于80C196MC单片机的VSCF双馈风力发电机的励磁控制试验系统，并对其控制技术进行了系统的试验研究。

2 VSCF风力发电机的工作原理

2.1 双馈电机的VSCF控制原理

VSCF风力发电系统主要由风力机、增速箱、双馈发电机、双向变流器和控制器组成，其原理框图如图1。双馈发电机的定子绕组接电网，转子绕组由具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交-交变流器或交-直-交变流器供电。双馈发电机可在不同的转速下运行，其转速随风速的变化可作适当的调整，使风力机的运行始终处于最佳状态，以提高风能的利用率。当电机的负载和转速变化时，通过调节馈入转子绕组的电流，不仅能保持定子输出的电压和频率不变，而且还能调节发电机的功率因数。

根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，可知VSCF风力发电机转速与定、转子绕组电流频率的关系如下

式中f1、f2、n和p分别为定子电流频率、转子电流频率、发电机的转速和极对数。

由式(1)可知，当转速n发生变化时，若调节f2相应变化，可使f1保持恒定不变，即与电网频率保持一致，实现风力发电机的VSCF控制。当风力发电机处于亚同步速运行时，式(1)取正号；当风力发电机处于超同步速运行时，式(1)取负号；同步速运行时，f2=0，变流器向转子提供直流励磁电流。

2.2 不同运行方式下的转子绕组功率流向

当忽略电机损耗并取定子为发电机惯例而转子为电动机惯例时，发电机的定子输出电功率P1等于转子输入电功率P2与电机轴上输入机械功率P mech之和，即

式中s为转差率。

由式(2)~(4)可知，当发电机在亚同步速运行时，s>0，需要向转子绕组馈入电功率，由转子传递给定子的电磁功率为sP1，风力机传递给定子的电功率只有(1-s)P1。当发电机在超同步速运行时，s<0，此时转子绕组向外供电，即定转子同时发电，此时风力机供给发电机的功率增至(1+|s|)P1。

双馈发电机在低于和高于同步速不同运行方式下的输入输出功率关

系，可用图2功率流向示意图表示。由于在低于和高于同步速不同运行方式下转子绕组的功率流向不同，因此需要采用双向变流器。

3 励磁控制系统的硬件设计

3.1 励磁控制系统的基本功能

为满足双馈发电机低于同步速、同步速和高于同步速运行的各种工况要求，向转子绕组馈电的双向变流器应满足输出电压（或电流）幅值、频率、相位和相序可调。通过控制励磁电流的幅值和相位可以调节发电机的无功功率；通过控制励磁电流的频率可调节发电机的有功功率；通过风力机变桨距控制与发电机励磁控制相结合，可按最佳运行方式调节发电机的转速。

3.2 励磁控制系统基本组成

VSCF双馈风力发电机模拟试验系统框图如图3所示。该系统由额定功率为2.8kW的绕线转子感应电机、直流拖动电动机、调压器、IGBT交直交双向变流器、光电编码器、电流及电压传感器、80C196MC单片机、PC机及参数显示器等组成。

4 励磁控制技术研究

4.1 变速恒频控制

双馈风力发电机的变速恒频控制，就是根据风力机转速的变化相应地控制转子励磁电流的频率，使双馈发电机输出的电压频率与电网保持一致。实现变速恒频控制可以采用两种方法，即有转速传感器和无转速传感器的变速恒频控制。前者控制相对容易，但需要光电编码器；后者控制技术稍复杂一些。

图3 所示励磁控制系统采用有速度传感器的变速恒频控制。电机的极对数p=2，定子电流频率f1=50Hz。将p和f1值代入式(1)，可得励磁电流频率f 的与电机转速检测信号的关系式。

2

亚同步速时馈入转子的电流频率为

式中k p是计数器在每10ms所记录的光电编码器的输出脉冲数。可根据光电编码器每转输出2000个脉冲计算出电机转速与k p的关系。

图4是双馈发电机低于同步速运行时转子绕组电流随转速调节频率的波形。由图可以看出，转子电流的频率根据转速按式(1)的规律变化，实现了双馈发电机的变速恒频控制。

4.2 恒定电压控制

当定子绕组开路，双馈发电机作空载运行时,定子绕组开路相电压的有效值为

式中f1为定子绕组的电压频率；N1和k w1分别为定子绕组每相串联匝数和绕组系数。每极磁通f0= f(I2)由转子绕组励磁电流决定。

由式(7)可知，当定子绕组电压频率f1为恒定值时，在不同转速下只要保持转子绕组励磁电流值不变便可使定子绕组端电压保持不变。然而当发电机负载运行时，由于定子绕组电阻和漏电抗压降，以及由于定子电流电枢反应磁场的影响，即使转子励磁电流不变，每极磁通和定子绕组端电压也不再是常数。为了保持在不同运行状况下发电机端电压恒定，需要通过电压反馈调节转子励磁电流实现闭环恒压控制。试验表明，双馈发电机输出电压采用闭环控制后，转速由1 300r/min增加到1480r/min，定子绕组输出电压仅变化了0.2V。

4.3 双馈发电机的并网控制

传统的风力发电机组多采用异步发电机，并网时对电网的冲击较大。双馈发电机可通过调节转子励磁电流实现软并网，避免并网时发生的电流冲击和过大的电压波动。

在图3的励磁控制系统中，并网前用电压传感器分别检测出电网和发电机电压的频率、幅值、相位和相序，通过双向变流器调节转子励磁电流，使发电机输出电压与电网相应电压频率、幅值及相位一致，满足并网条件时自动并网运行。由图5看出，并网后定子电流有振荡现象，这是由于在并网试验中没有采用

有功和无功功率闭环控制造成的，采用闭环控制后，发电机的功角保持不变可解决电流震荡问题。

如图5所示，并网前发电机电压略高于电网电压，并网后发电机电压即为电网电压。并网前发电机电流为辅助负载的电流，并网后的电流为馈入电网的电流。辅助负载用于并网前的发电机电压和电流监测，并网后将辅助负载切除。为了便于并网前后发电机定子绕组电压电流的比较，并网试验中采用了辅助负载检测并网前定子绕组的电压和电流，在实际VSCF系统中，不一定需要辅助负载，可检测与比较电网和发电机的端电压以确定是否满足并网条件。

4.4 三态转换控制

在亚同步速运行时，变流器向转子绕组馈入交流励磁电流，同步速运行时变流器向转子绕组馈入直流电，而超同步速运行时转子绕组输出交流电通过变流器馈入电网。亚同步、同步和超同步三种不同运行状态的动态转换是变速恒频双馈风力发电机励磁控制的一项关键技术。

由于风速变化的不稳定性，风力发电机难以长时间稳定运行在同步速。为了避免反复跨越同步点和在同步速附近小转差区的控制难度，在实际变速恒频风力发电系统中，总是把稳定运行工作点选在避开同步速附近小转差区(|s|<0.

05)以外的区间。自然，跨越同步点是难免的。

跨越同步点的三种运行状态的转换可采用两种不同的方法，一是采用“交-直-交”控制模式，二是采用“交-交”控制模式。“交-直-交”控制模式是随着发电机转速的增高逐渐降低转子绕组电流的频率，当转速接近同步速时供给转子绕组直流（此时转子三相绕组为“两并一串”的联接方式而变流器以PWM

方式控制不同桥臂的三个功率开关器件同时导通或关闭，输出可控的直流励磁电流）。当转速超过同步速后，变流器停止直流供电，此时转子绕组向变流器输出转差频率的交流电。采用“交-直-交”控制模式的发电机跨越同步速时的转子电流实测波形如图6所示。“交-交”控制模式因省去了向转子绕组供直流电的环节，控制稍微容易一些，但三种运行状态转换的平滑性稍差一些，其转子电流试验波形如图7所示。

5 结论

（1）跨越同步速是变速恒频双馈风力发电机励磁控制关键技术之一，采用“交-直-交”或“交-交”控制模式，可实现亚同步、同步和超同步运行方式之间的转换。

（2）并网操作是变速恒频双馈风力发电机励磁控制需要解决的另一关键技术。可采用不同的并网方式（异步方式或同步方式），但需要解决并网过程中的电流冲击和电压波动问题。

参考文献

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前言

风力发电机组调向对风机构的功能是用以克服机组的调向阻力矩，确保机组在任何工况下运行时都能正对风向（即使风轮旋转平面垂直于风向），以利于最大限度地吸收风能。

因此，调向对风机构工作性能的好坏将直接关系到风力发电机组的整体性能。为确保风力发电机组的调向机构具有良好的调向对风性能，正确、合理地确定机组的调向功率就成为风力机设计与研究工作中一项不容忽视的重要内容。

1调向机构简介

目前，国内外大型风力发电机组的调向对风机构一般都采用图1所示结构。风力发电机组的机舱和塔架分别与回转支承的内外环联接。当风力机偏离风向时，风向风速仪发出信号，经计算机发出指令，驱动安装在机舱内的调向减速机构，通过安装在调向减速机构上的小齿轮与回转支承的大齿轮啮合，使机舱绕塔架轴线旋转，从而使风轮对准风向。

大型风力发电机组的调向对风机构通常采用风向风速仪及机电或电液伺服机构来实现机组的调向对风。伺服调向机构主要由以下四个部分组成：

(1) 用于接收风速、风向信号的风向风速仪；

(2) 调向机构的原动机，在机电或电液伺服机构中是电动机；

(3) 调向机构的机械传动装置（一般起减速作用），在机电机构中，它是减速箱，在液电机构中，它由油泵和液压马达组成；

(4) 齿轮副（调向机构通过安装在减速箱输出轴或液压马达上的回转小齿轮和回转支承装置上的大齿轮啮合，以实现风轮和机舱绕塔架轴线的回转）。 2机组的调向阻力矩

大型风力机调向机构的工作载荷主要是调向阻力矩。当风力机在运行过程中，起动调向对风时，调向阻力矩M一般由下列阻力矩组成：

M=M

w +M

p

+M

f

+M

z

（1）

式中：M

ｆ

——作用于回转支承装置上的摩擦阻力矩；

M

ｗ

——风压力作用于机舱上所引起的风阻力矩；

M

p

——调向起动时由惯性力所引起的惯性阻力矩；

M

z

——使风力机运行和调向平稳而由制动器产生的阻尼力矩。

2.1回转支承装置的摩擦阻力矩M

ｆ

回转支承装置的摩擦阻力矩主要是由塔架上端机组的自重、自重的偏心所引起的偏心力矩以及风载荷作用于机组上端引起的弯矩所产生。可利用(2)式求得（见文献［1］）：

式中：μ——回转支承装置的摩擦系数，对金属材料可近似地取μ＝0.01;

D

——回转支承装置滚道中心的直径；

∑Ｎm由上述各种载荷引起的作用于回转支承装置滚道上的正压力的总和。

2.2作用于机舱上的风压所引起的回转阻力矩M

ｗ

作用于机舱上的风压所产生的回转阻力矩Mw是由于回转中心前后机舱的迎风面积不同引起的（见图2）。可利用(3)式求得：

式中：q

f

——风压力（根据参考文献［2］确定）；

k 1、k

2

——回转中心前后机舱的体形系数；

F1、F

2

——回转中心前后机舱的迎风面积；

l 1、l

2

——回转中心前后机舱形心离回转中心的距离。

2.3由回转惯性所引起的回转阻力矩Mp

由惯性所引起的回转阻力矩Mp通常由以下三部分组成：

（1）由风轮惯性所引起的回转阻力矩M

pf

为：

式中：Jf——风轮的回转惯性矩；

ω——机舱的回转角速度。当机舱以每分钟n圈的速度回转时，则

t——起动时间。

(2）由机舱惯性所引起的回转阻力矩M

pj

为：

M

pj =J

j

（ω/t）

式中：J

j

——机舱的回转惯性矩。

（3）由回转机构旋转零件惯性所引起的回转阻力矩M

pr

为：

式中：J

1、J

2

、J

3

——各旋转零件的旋转惯性矩；

ω

1、ω

2

、ω

3

——各旋转零件的旋转角速度；

η

1、η

2

、η

3

——各旋转零件的机械效率。

当电机轴或液压马达轴的角速度为ω

1

时，则

从上式可见，括号内的第一项比其余各项要大得多，为了便于计算，同时考虑在误差不大的情况下，将上式改写成为：

将各回转惯性阻力矩相加，即可得总的回转惯性阻力矩的计算公式为：

式中：η调向系统的机械传动效率，根据经验一般取0.8～0.85；

i——调向系统的总传动比（i＝ω1/ω）。

2.4由制动器产生的阻尼力矩Mz

为减少风力发电机组在运行或调向时所产生的冲击，大型风力机的调向系统一般都设置阻尼机构，其原理是利用液压系统的低压或背压使调向制动器产生阻尼力矩，其值可用下式求得：

=nAPmD （5）

M

z

式中：n——制动器的副数；

A——制动器油缸的活塞面积；

P——液压系统的压力或背压；

m——制动器与刹车盘之间的摩擦系数；

D——刹车盘的工作直径。

将式（2）、（3）、（4）、（5）代入式（1），即可得调向阻力矩M为：

3调向功率的确定

为使风力发电机组具有良好的调向对风性能，调向机构的调向功率必须足以克服机组的调向阻力矩。因此，当调向阻力矩一旦确定后，可用(7)式求得调向电机的额定功率或作用于液压马达轴上的输出功率N：

式中：n——风力机在额定工况下运行时的回转速度（r/min），这一参数一般在总体设计时就已确定；

Ψ——电机或液压马达的超载系数，当选用电动机时可由手册查得，当选用液压马达时取1；

K——大于1的安全修正系数，根据经验一般取1.2～1.3为宜。

4结束语

由于风力发电机组的运行工况通常比较复杂，还有一些影响调向性能的因素很难一一加以考虑（如由于机舱上仰而引起的机组自重在倾斜方向产生的分力所形成的回转阻力矩，及风力机运行时所产生的陀螺力矩等），为此，我们在公式（7）中引进了大于1的系数K来进行修正。至于K 值究竟取多大更为合理，尚需作进一步的研究与探讨。

目前商用大型风力发电机组一般为水平轴风力发电机，它由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片（目前商业机组一般为2—3个叶片）装在轮毂上所组成，低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航

现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转距（风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。

最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，立在一定高度的塔干上，这是小型离网风机。最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无，电压和频率不稳定，没有实际应用价值。为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。

齿轮箱可以将很低的风轮转速（1500千瓦的风机通常为12-22转/分）变为很高的发电机转速（发电机同步转速通常为1500转/分）。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。要知道，1500千瓦的风机机舱总重50多吨，叶轮30吨，使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。

风机是有许多转动部件的，机舱在水平面旋转，随时偏航对准风向；风轮沿水平轴旋转，以便产生动力扭距。对变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况而变桨距。在停机时，叶片要顺桨，以便形成阻尼刹车。

早期采用液压系统用于调节叶片桨矩（同时作为阻尼、停机、刹车等状态下使用），现在电变距系统逐步取代液压变距。

就1500千瓦风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在13米/秒左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。

现代风机的设计极限风速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会立即破坏。理论上的12级飓风，其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。

风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网；同时监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机，属于无人值守独立发电系统单元。