两种风力发电机组概述
风电场主要设备介绍及其基本理论
风电场主要设备介绍及其基本理论1 风力发电机的类型风力发电机多种多样，归纳起来可分为两类：①水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；②垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。
1.1水平轴风力发电机水平轴风力发电机可分为升力型和阻力型两类。
升力型风力发电机旋转速度快，阻力型旋转速度慢。
对于风力发电，多采用升力型水平轴风力发电机。
大多数水平轴风力发电机具有对风装置，能随风向改变而转动。
对于小型风力发电机，这种对风装置采用尾舵，而对于大型的风力发电机，则利用风向传感元件以及伺服电机组成的传动机构。
风力机的风轮在塔架前面的称为上风向风力机，风轮在塔架后面的则称为下风向风机。
水平轴风力发电机的式样很多，有的具有反转叶片的风轮，有的在一个塔架上安装多个风轮，以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本，还有的水平轴风力发电机在风轮周围产生漩涡，集中气流，增加气流速度。
1.2垂直轴风力发电机垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。
利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型，其中有纯阻力装置的风轮；S型风车，具有部分升力，但主要还是阻力装置。
这些装置有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出低。
达里厄式风轮是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。
在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。
达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。
现在有多种达里厄式风力发电机，如Φ型，Δ型，Y型和H型等。
这些风轮可以设计成单叶片，双叶片，三叶片或者多叶片。
其他形式的垂直轴风力发电机有马格努斯效应风轮，它由自旋的圆柱体组成，当它在气流中工作时，产生的移动力是由于马格努斯效应引起的，其大小与风速成正比。
风力发电机的主要类型
风力发电机主要类型2013-02-16 11:36:31| 分类：风力发电机|字号订阅根据风力发电机的运行特征，风力发电机可分为恒速风力发电机( Fixed speed generator)、有限变速风力发电机( Limited variable speed generator) 和变速风力发电机(Variable speed generator) 。
1、恒速风力发电机恒速风力发电机系统如下图所示，采用了笼型异步发电机, 发电机通过变压器直接接入电网。
因为笼型异步发电机只能工作在额定转速之上很窄的范围内, 所以通常称之为恒速风力发电机。
并网运行时, 异步发电机需要从电网吸收滞后的无功功率以产生旋转磁场, 这恶化了电网的功率因数, 易使电网无功容量不足, 影响电压的稳定性。
为此, 一般在发电机组和电网之间配备适当容量的并联补偿电容器组以补偿无功。
由于笼型异步发电机系统结构简单、成本低且可靠性高, 比较适合风力发电这种特殊场合, 在风力发电发展的初期, 笼型异步发电机得到了广泛的应用, 有效地促进了风电产业的兴起。
笼型恒速发电机系统随着风力发电应用的深入，恒速笼型异步发电机具有的一些固有缺点逐步显现出来，主要是笼型异步发电机转速只能在额定转速之上1% ~ 5% 内运行，输入的风功率不能过大或过小，若发电机超过转速上限, 将进入不稳定运行区。
因此，在多数场合需将2台分别为高速和低速的笼型异步发电机组合。
使用, 以充分利用中低风速的风能资源。
另外，风速的波动使风力机的气动转矩随之波动，因为发电机转速不变, 风力机和发电机之间的轴承、齿轮箱将会承受巨大的机械摩擦和疲劳应力。
而且, 由于风力机的速度不能调节, 不能从空气中捕获最大风能, 效率较低. 齿轮箱的存在增加了风力机的重量和系统的维护性, 影响了系统效率, 增加了噪声。
2、有限变速风力发电机有限变速风力发电机系统如下图所示, 发电机采用绕线式异步发电机。
中外常用风力发电技术及风电机概述
该 系 统 采用 双 馈 型 感 应 发 电 机 （D oubly Fed Induction Generator(DFIG)），定子 直接接到电 网上， 转 子通过一三 相变频器实 现交流励磁，如图 2 所示。
图 2 采用 双馈异步发电 机的交流 励磁变速恒 频风力发电系 统
当风速发 生变化时 ，发电机转 速变化，若 控制
/ 60
A bstr act Several win d turbines and its control technology have been studied one after another in the process of the improvement of wind power technology. The primary focus is to design them to be more efficient and reliable. In this paper, variable speed constant frenquency wind po wer technology is briefly introduced firstly and then detailedly explain tw o types of wind turbines commonly used both at home and abroad：Direct-drive permanent magnet synchronous wind turbine and doubly-fed wind turbine.
双馈无刷风力发电机组综述
双馈无刷电机(BDFM)
双馈无刷电机基本原理
在无刷双馈电机的定子上，一般具有各自独立的2 套 三相对称绕组，1 套为2p 极的主绕组，1 套为2q 极 的副绕组，这2 套绕组之间的耦合是通过特殊设计的 转子来实现的。无刷双馈电机的定子主绕组一般由工 频交流电源直接供电。当副绕组短路时，电机将能够 异步起动并工作在异步运行方式；当副绕组由直流电 源馈电（如两并一串），电机将工作在同步运行方式， 该种电机的同步速定义为60（fp+fq) /(p+q）；当副 绕组由变频电源供电时，电机将工作在双馈调速运行 方式。
刷双馈电机进行了较为系统和深入的研究。
近年来,在英、美等国,基本形成两大流派;其一是以 A.Wallace 教授和R. Spee 教授为首的美国Oregon 州 立大学以及以Williamson 教授为首的英国剑桥大学,他 们重点研究笼型转子结构的无刷双馈电机(BDFM) ;另一 流派是以T. A. Lipo 教授为首的Wisconsin 大学和以L. Xu 教授为首的Ohin 州立大学,重点研究磁阻转子结构 的双励磁磁阻电机。二派学者对无刷双馈电机的转子结 构各持己见,对两种转子结构的无刷双馈电机的分析方 法有所差异,并且形成了两套不同的分析研究体系。
种转子的结构如图所示。
转子结构
磁阻型双馈无刷电机
磁阻型双馈无刷电机转子结构
双馈无刷电机（笼型转子）
笼型转子结构
笼型转子结构
笼型转子结构
级联式无刷双馈电机
级联式双馈无刷电机，结构上，是相当于将 2 台绕线式异步电机同轴串联接而成，转子 绕组反(同) 相序联接，转子轴机械相联。2 台电机分别称为功率电机( Pp 对极) ，控 制电机( Pc 对极) 。功率电机的定子绕组 直接接工频三相电源，控制电机的定子绕组 接变频器。结构如图所示 。
风力发电机组概述
风力发电机组概述风力发电机组的发电机按照发电机型式可分为笼型异步发电机、双馈异步发电机和永磁型同步发电机。
双馈异步风力发电机是目前应用最为广泛的风力发电机。
由定子绕组直连定频三相电网的绕线式异步发电机和安装在转子绕组上的双向背靠背IGBT电压源变流器组成。
双馈异步风力发电机是一种绕线式感应发电机，是变速恒频风力发电机组的核心部件，也是风力发电机组国产化的关键部件之一。
发电机本体主要由定子、转子和轴承系统组成。
为了避免由于潮湿、结露而对发电机造成损害，发电机绕组内埋有加热线圈，此外，在发电机内装有温度传感器，检测发电机绕组的温度和发电机轴承的温度。
风力发电机组或系统结构简图如图2-14所示。
图2-14 风力发电机组或系统结构简图1—联轴器；2—发电机；3—磁粉过滤器；4—弹性支承双馈异步发电机将定子、转子三相绕组分别接入独立的三相对称电源，定子绕组直接和电网连接，转子绕组通过变流器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。
由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了“柔性连接”，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确地调节发电机输出电压，使其能满足要求。
变频器采用交—直—交的形式与电网连接，控制发电机在亚同步和超同步转速下都保持发电状态并随着风速的变化调节发电机的转速，进行能量交换。
发电机的转速范围是1000～2000r/min，同步转速是1500r/min。
电压频率和转子电流与转速差（实际转速和同步转速之差）相对应。
在正常情况下，异步发电机的转子转速总是略高或低于旋转磁场的转速（同步转速ns），因此称为异步电机。
转子转速n与旋转磁场的转速ns 之差称为转差，转差Δn与同步转速ns的比值称为转差率，转差率是表征异步发电机运行状态的一个基本变量。
定子电压等于电网电压，转子电压与转差率及堵转电压成正比，堵转电压取决于定子与转子的匝数比。
双馈异步和永磁同步风力发电机特性分析
双馈异步和永磁同步风力
发电机特性分析摘要：本文分析了双馈异步和永磁同步风力发电机的工作原理，详细比
AUTOMATION PANORAMA
率，可使定子频率恒定，即应满足：。
为定子电流频率，由于定子与电网相连，所以与电网频率相同；为转子机械频率，，p为电机的极对为转子电流频率。
n<n1（n1是定子旋转磁场的同步转速）时，处于亚同步运行状态，此时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；
n>n时，处于超同步运行状态，此时发电机同时由定子
统类似，只是所采用的发电机为永磁同步发电机。
式中，—电网频率（H z）；—发电机定子输出频率Hz）； K—功率变换器频率变比。
当转速变化时，发电机定子输出频率也跟随变化，通过功率变换器将定子发出的变频变压的电能转换为与电网频率幅值一致的稳定电能。
图3 DFIG和PMSG发电量比较
结论
（1）从结构分析来看，DFIG和PMSG在技术参数上各有优缺DFIG相比PMSG变流器容量小，易于安装和维护，成本低，发电机结构简单，重量和体积比同步发电机大大减小。
但低电压穿越功能不强，需要在变流器中额外增加模块，现在DFIG的市场认可度较高，但由于其低电压穿越能力不好，所以，如果国家以后出台并网要求相关规定后，市场将倾向于同步风力发电机组。
（2）就技术成熟度来讲，目前国内外DFIG技术成熟，国内大多数兆瓦级风机均采用该机型，而PMSG国内该方面的技术尚处于研发阶段，产业链不完善，基本要依赖进口。
（3）就成本来讲，双馈式风力发电机组比同步风力发电机
AUTOMATION PANORAMA
AUTOMATION PANORAMA。
风力发电-ppt概述
5.2 风力机基本型式
5.2 风力机
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
功功率；
（3）通过调节转子电流的幅值，可控制发电机定子输出的无
04
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；
（2）通过调节转子电流的相位，控制转子磁场领先于由电网
03
单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了演示发布的良好效果，请言简意赅地阐述您的观点。
（1）转子电流的频率为转差频率，跟随转子转速变化；
风力发电技术
PART 1
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
风力发电机系统
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
02
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双馈异步发电机的运行原理— 转子交流励磁
01
与转差率有关（约为电磁功率的0.3倍，|s|<0.3）
（4）转子绕组参与有功和无功功率变换，为转差功率，容量
05
系统特点：
变速恒频双馈异步风力发电机系统
连续变速运行，风能转换率高； 部分功率变换，变频器成本相对较低； 电能质量好（输出功率平滑，功率因数高）； 并网简单，无冲击电流； 降低桨距控制的动态响应要求； 改善作用于风轮桨叶上机械应力状况； 双向变频器结构和控制较复杂； 电刷与滑环间存在机械磨损。
双馈式、直驱式风力发电对比
双馈式、直驱式风力发电对比双馈式与直驱式是变速恒频风力发电机组的两种主要机型，二者各有优势并相互竞争，同时它们在技术上也相互促进。
双馈式风力发电机双馈异步风力发电机（DFIG，Double Fed Induction Generator）是一种绕线式感应发电机，双馈异步发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变频器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。
由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了”柔性连接”，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使其能满足要求。
双馈式风力发电机具有以下优点：1、能控制无功功率，并通过独立控制转子励磁电流解耦有功功率和无功功率控制。
2、双馈感应发电机无需从电网励磁，而从转子电路中励磁。
3、它还能产生无功功率，并可以通过电网侧变流器传送给定子。
直驱式风力发电机直驱式风力发电机（Direct-driven Wind Turbine Generators），是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。
直驱式（无齿轮）风力发电机始于20多年前，由于电气技术和成本等原因，发展较慢。
随着近几年技术的发展，其优势才逐渐凸现，丹麦、德国都是在该技术领域发展较为领先的国家，国内的永磁直驱技术也得到了飞速进步。
直驱永磁风力发电机有以下优点：1、发电效率高：直驱式风力发电机组没有齿轮箱，减少了传动损耗，提高了发电效率，尤其是在低风速环境下，效果更加显著。
2、可靠性高：齿轮箱是风力发电机组运行出现故障频率较高的部件，直驱技术省去了齿轮箱及其附件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性。
同时，机组在低转速下运行，旋转部件较少，可靠性更高。
3、运行及维护成本低：采用无齿轮直驱技术可减少风力发电机组零部件数量，避免齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护成本。
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异步电动机三相原始模型的非独立性
三相变量中只有两相是独立的，因此 三相原始数学模型并不是物理对象最 简洁的描述。
完全可以而且也有必要用两相模型代 替。
坐标变换
异步电动机三相原始动态模型相当复杂 ，简化的基本方法就是坐标变换。
异步电动机数学模型之所以复杂，关键 是因为有一个复杂的电感矩阵和转矩方 程，它们体现了异步电动机的电磁耦合 和能量转换的复杂关系。
异步电动机三相绕组可以是Y连接，也可以 是Δ连接。若三相绕组为Δ连接，可先用Δ— Y变换，等效为Y连接。然后，按Y连接进行 分析和设计。
定子三相绕组 轴线A、B、C在 空间是固定的。
转子绕组轴线a、 b、c随转子旋转。
异步电动机三相动态模型的 数学表达式
双馈异步电动机的动态模型由磁链方程、 电压方程、转矩方程和运动方程组成。
要简化数学模型，须从电磁耦合关系入 手。
坐标变换的基本思路
两极直流电动 机的物理模型 ，F为励磁绕 组，A为电枢 绕组，C为补 偿绕组。F和C 都在定子上， A在转子上。
图 二极直流电动机的物理模型 F—励磁绕组 A—电枢绕组 C—补偿绕组
坐标变换的基本思路
把F的轴线称作直轴或d轴，主磁通的方向就 是沿着d轴的；A和C的轴线则称为交轴或q轴 。
异步电动机三相原始模型的非独立性
异步电动机三相绕组为Y无中线连接，若 为Δ连接，可等效为Y连接。
可以证明：异步电动机三相数学模型中存 在一定的约束条件
A B C 0
iA iB iC 0 uA uB uC 0
a b c 0
ia ib ic 0 ua ub uc 0
目录
一、异步绕线双馈风力发电机概述 二、直驱永磁同步风力发电机概述 三、两种风力发电机组的简单比较 四、浅谈两种风力发电机的建模
• 双馈式风力发电机组的系统将齿轮箱传输到发电 机主轴的机械能转化为电能，通过发电机定子、 转子传送给电网。发电机定子绕组直接和电网连 接，转子绕组和频率、幅值、相位都可以按照要 求进行调节的变频器相连。变频器控制电机在亚 同步和超同步转速下都保持发电状态。在超同步 发电时，通过定转子两个通道同时向电网馈送能 量，这时逆变器将直流侧能量馈送回电网。在亚 同步发电时，通过定子向电网馈送能量、转子吸 收能量产生制动力矩使电机工作在发电状态，变 流系统双向馈电，故称双馈技术。
1.1 双馈风力发电机原理概述
f0
p 60
nr
f2
n0 nr n2
• 其工作原理为 : 绕线转子双馈异步发电机的
转子通入三相低频励磁电流形成低速旋转 磁场 ,该磁场的旋转速度 与转子机械转速 相 叠加 ,等于定子的同步转速 ,即。从而在定子 绕组中感应出相应于同步转速 的工频电压
。当发电机转速随风速变化而变化时 (一般 的变化范围为的30% ,可双向调节 ) ,调节转 子励磁电流的频率即可调节,以补偿 的变化 , 保持输出电能频率恒定。
u Ri d (Li) Ri L di dL i
dt
dt dt
Ri L di dL i dt d
转矩方程和运动方程
转矩方程
Te np Lms (iAia iBib iCic ) sin (iAib iBic iCia ) sin( 120) (iAic iBia iCib )sin( 120)
磁链方程和转矩方程为代数方程 电压方程和运动方程为微分方程
磁链方程
异步电动机每个绕组的磁链是它本身的自 感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和
A LAA LAB LAC LAa LAb LAc iA
B
LBA
LBB
LBC
LBa
LBb
LBc
iB
C a
LCA LaA
LCB LaB
1 2
Lms
1 2 Lms
Lms
Lls
Lms
Llr
Lrr
1 2
Lms
1 2
Lms
1 2
Lms
Lms Llr
1 2
Lms
1 2
Lms
1 2 Lms
Lms
Llr
转子电感矩阵
电感矩阵
定、转子互感矩阵
cos
Lrs
LTsr
Lms
cos(
2
3
)
cos(
2
)
3
cos( 2 )
3
cos cos( 2 )
3
cos( cos(
2
3
2
3
) )
cos
变参数、非线性、时变
电压方程
三相绕组电压平衡方程
uA
iA Rs
d A
dt
uB
iB Rs
d B
dt
uC
iC Rs
d C
dt
ua
ia Rr
d a
dt
ub
ib Rr
d b
dt
uc
ic Rr
d c
dt
电压方程
将电压方程写成矩阵形式
1.2 双馈风力发电机研究方法
三相异步电机数学模型
• 作如下的假设： • （1）忽略空间谐波，三相绕组对称，产生
的磁动势沿气隙按正弦规律分布。 • （2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感
都是恒定的。 • （3）忽略铁心损耗。 • （4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电
阻的影响。
无论异步电动机转子是绕线型还是笼型的 ，都可以等效成三相绕线转子，并折算到 定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数相 等。
LCC LaC
LCa Laa
LCb Lab
LCc Lac
iiCa
b
LbA
LbB
LbC
Lba
Lbb
Lbc
ib
c LcA LcB LcC Lca Lcb Lcc ic
电感矩阵
定子电感矩阵
Lms
Lls
L ss
1 2 Lms
1 2
Lms
1 2
Lms
Lms Lls
1 2 Lms
u
Ri
dψ
dt
u A Rs 0 0 0 0 0 iA
u
B
0
Rs
0
0
0
0
iBΒιβλιοθήκη A BuuCa
0 0
0 Rs 0 0 0 Rr
0 0
0 0
iiCa
d dt
C a
u
b
0
0
0
0 Rr
0
ib
uc 0 0 0 0 0 Rr ic
b
c
电压方程
把磁链方程代入电压方程，展开
运动方程 转角方程
J np
d
dt
Te
TL
d
dt
异步电动机三相原始模型的性质
非线性强耦合性 非线性耦合体现在电压方程、磁链方程与 转矩方程。既存在定子和转子间的耦合， 也存在三相绕组间的交叉耦合。
非线性变参数 旋转电动势和电磁转矩中都包含变量之间 的乘积，这是非线性的基本因素。定转子 间的相对运动，导致其夹角不断变化， 使得互感矩阵为非线性变参数矩阵。