杨锡运的发电机部分

风力发电原理 第五章 发电机原理 讲授人：杨锡运 风力发电原理 风力发电包含了由风能到机械能和由机械能到 电能两个能量转换过程 ， 发电机及其控制系统 承担了后一种能量转换任务 ， 是风力发电系统 的一大核心部分 。 发电机及其控制系统不仅直接影响这个转换过 程的性能 、 效率和供电质量 ， 而且也影响到前 一个转换过程的运行方式 、 效率和装置结构 。 这一章我们主要学校发电机原理 。 风力发电原理 风力发电原理 第一节 直流发电机 一 、 基本工作原理 1. 原动机拖动 电枢 ， 按 逆时针恒定速度 方向 旋转 ， 2. 线圈 ab边 切割磁力线 ， 右手定则确定 感应电势 方向 b 指向 a， cd边感应电动势方向 d指向 c， 整个线圈是 d-c-b-a。 3. 换向片 1和电刷 A处于 正电位 ， 换向片 2和 电刷 B处于负电位 。 若接通外 电路 ， 电流就从电刷 A经 负载流入电刷 B， 与线圈 构成闭合通路 。 4.线圈旋转 1800后，线圈内部电路 反向，但由于 电刷作用 ，电刷 A的 电位仍然是正的，其电刷 B的电位 仍然是负，对外电路负载上便得 到 恒定方向的电压 和电流。 风力发电原理 第一节 直流发电机 一、基本工作原理 (5)直流发电机中只有一个线圈时， 电动势方向恒定 ，但数值 却变化很大 ,其 大小 在零值和最大值之间 脉动 ，当线圈旋转一 周时，电动势脉动地变化两次 如何解决？ (6)一个磁极下放 多个线圈 电刷 A、 B之间的 电势 始终是 所有线圈的 电势之和 结论：导体数目大于 8时，电势脉动程度 小于 1，可近似认为是恒定的直流电 势。 风力发电原理 二 直流发电机的分类 按励磁方式分 有永磁式及电励磁式 。 1. 永磁式直流发电机 利用 永久磁铁 来提供发 电机所需的励磁 磁通 第一节 直流发电机 图 1 永磁式直流发电 风力发电原理 2 电励磁式 :借助 在励磁线圈内流过的电流产生磁通 来提供发 电机所需的励磁磁通 ， 1)由于励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同 ， 分为他励与 自励 (并励 、 串励 、 复合励磁 )两种型式 电励磁式直流发电机 （ a） 他励式直流发电机 （ b） 自励式 （ 并励 ） 直流发电机 二 直流发电机的分类 第一节 直流发电机 风力发电原理 2 电励磁式 二 直流发电机的分类 第一节 直流发电机 2）自励式 串励式 复合励磁式 并励绕组产生的磁势占总励磁磁 势的 70以上起主要作用，而串 励绕组起辅助作用 发电机 励磁所 消耗的 功率， 仅占额 定容量 的 1-3% 风力发电原理 1.回路中各电磁物理量关系 1)电枢回路： 2)励磁回路 他励发电机 并励发电机 aeE C n a a aU E I R f f ff UI Rr f ff UI Rr ()ffI 第一节 直流发电机 三 直流发电机电磁关系 其中： 为电机的电势系数； 为电机每极下的磁 通量； 为电枢绕组电阻； 为励磁绕组的外接电 阻； 为绕组感应电势； 为电枢端电压； 为发电 机转速； 为励磁电流。 eC aR fR aE U n fI 风力发电原理 2 发电机的电磁转距 1)电磁转距对发电机的电枢旋转是制动力矩 M1为风力机的拖动转矩； M0为机械摩擦阻转矩 ， M为 电磁转距 ,为发电 机转轴的旋转角速率 ,J为风力机 、 发电机及传动系统的总转动惯量 2)电磁转矩的大小： 根据比奥 沙瓦定律 ， 直流发电机的电枢电流与电机的磁 通作用会产生电磁力 ， 并由此而产生电磁转矩 ， 电磁转矩 可表示为： CM为电机的转矩系数； M为电磁转矩； Ia为电枢电流 10 dM M M J dt MaM C I 第一节 直流发电机 三 直流发电机电磁关系 3)负载不变时，即电磁转距不变时，风速变化带来的现象 负载不变即 M为常数时，若风速增大，发电机转速增加；反 之，转速下降 ,导致电枢感应电势和端电压改变，因此需要通过 调速装置进行控制。 风力发电原理 四直流风力发电系统举例 较早时期的小容量独立风力发电装置一般采用 小型直流发电机，在实际应用中， 直流发电机 常和蓄电池组 配合使用 ， 向电阻性负载供电。 独立运行的直流风力发电系统 L：电阻性负载 (如 照明灯等 )， J：逆 流继电器控制的动 断触点。当风力减 少，风力机转速降 低，直流发电机电 压低于蓄电池组电 压时逆流继电器动 作，断开动断触点 J，使蓄电池不能向 发电机反向供电。 第一节 直流发电机 风力发电原理 上述系统 合理选择蓄电池组容量 的选择至关重 要 ， 蓄电池容量的选择与选定的 风力发电机 的 额定数值 (容量、电压等 )、日负载 (用电量 )状 况以及该风力发电机安装地区的风况 (无风期 持续时间 )等 有关 ， 同时还应按 10h放电率电流 值 (蓄电池的最佳充放电电流值 )的规定来计算 蓄电池组的充电及放电电流值，以保证合理的 使用莆电池， 延长蓄电池的使用寿命 。 第一节 直流发电机 四直流风力发电系统举例 风力发电原理 五 并励直流发电机的自励 自励的条件： 1）发电机有剩磁 2）励磁绕组并联极性正确，产生的磁通方向与剩 磁一致（增磁），否则端电压不能建立。 结论：在满足上述条件下，为了建立电压， 1励磁回路的总电阻必须小于临界电阻值 2对于某一励磁回路的电阻值，对应一个最小临界转 速，发电机小于此转速不能自励，故必须使风力 机调速机构确定的转速值大于发电机的最小临界 转速 第一节 直流发电机 风力发电原理 风力发电原理 第二节 交流发电机 风力发电中所用的同步发电机绝大部分是三相同步电机 ， 其 输出连邻近三相电网或输配电线 。 一、同步发电机 1.基本工作原理 1）分定子和转子两部分。定子：电枢绕组，产生感应 电动势和产生旋转磁场的部件。 转子：可由励磁绕组 调节，产生一个强磁场。 2）具体：励磁绕组外接直流电源得到励磁电流，产生 磁极磁场（主磁场或励磁磁场），风机拖动转子旋转 时，得到一个机械旋转主磁场，该磁场对定子发生相对 运动，在定子绕组中感应出对称的交流电势。由于定于 三相对称绕组在空间相差 120度电角 度，因此三相对称 的电势也在时间上相差 120度电角度。可表示为 eOA,eOB, 和 eOC 风力发电原理 =2fs ,是励磁电流产生的每极磁通； K是一个与电机 极对数和每相绕组匝数有关的常数 。 60 s s pnf 01Ek 第二节 交流发电机 一 同步发电机 2.交流电势的频率 频率取决于电机的极对数 P和转子转速 ns，即 3.每相绕组的电势有效值 4.同步发电机的额定值 1） 额定容量：是指出线端的额定视在功率 ， 以千伏安 （ kVA） 、 兆伏安 (MVA)为单位； 2） 额定功率：是指发电机输出的额定有功功率 ， 一般以干 瓦 （ kW） 或兆瓦 （ MW） 为单位 。 风力发电原理 风力驱动的同步发电机与电网并联 5 并网同步风力发电系统举例 2）为保证发出的电频率恒定： 1恒速恒频（通过调速机构实现） 2 变速恒频（通过变频器实现） 第二节 交流发电机 一 同步发电机 1）注意并网条件 风力发电原理 带调速系统的恒速恒频同步发电机风力发电系统 带变频器的变速恒频同步发电机风力发电系统 5 并网同步风力发电系统举例 第二节 交流发电机 一 同步发电机 风力发电原理 1)同步发电机的主要优点是 可以向电网或负载 提供无功功率 ，它不仅可以并网运行，也可 以单独运行，满足各种不同负载的需要。 2)同步发电机的缺点是它的结构以及控制系统 比较复杂，成本比异步发电机高。 第二节 交流发电机 一 同步发电机 6.同步发电机的优缺点 风力发电原理 1.结构： 1)异步发电机称感应发电机 ， 有鼠笼型和绕线型两 种 。 2)风力发电系统中并网运行的异步电机 ， 其定子与 同步电机的定子基本相同 ， 定子绕组为三相的 ， 可接成三角形或星型接法；转子则有鼠笼型和绕 线型两种 。 第二节 交流发电机 二异步发电机 风力发电原理 2.工作原理： 1)根据异步电机理论，异步电机并网运行时由定子 三相绕组电流产生的旋转磁场的同步转速决定于 电网的频率及电机绕组的极对数，即： 式中： ns为同步转速； f为电网频率； p 为绕组对 数。 60 s fn p 第二节 交流发电机 二异步发电机 风力发电原理 2） 当异步电机连接到频率恒定的电网时 ， 异 步电机可以有不同的运行状态； 转子转速 小于 异步电机的 同步转速时 （ 即 nns） ， 处于 发电运行 状态 ， 此 时异步电机吸收由原动机供给的机械能而 向电网输出电能 。 第二节 交流发电机 二异步发电机 2.工作原理 风力发电原理 2）当异步电机与电网并联后作为发电机运行时， 转差率 S为负值。 |s|取值越大，则系统平衡阵风扰动的能力越好， 一般与电网并联运行的容量较大的异步风力发电机其 转速的运行范围在 ns与 1.05ns之间。 1）异步电机的不同运行状态可用异 步电机的转差率 S来区别表示。异步 电机的转差率定义为： 第二节 交流发电机 二异步发电机 3.转差率 100%s s nnS n 风力发电原理 1）缺点：在向电网 提供有功功率 的同时，要从 电网中 吸收无功功率 。 2）优点： 并网 要求不像同步发电机那么严格， 只要转速接近同步转速时就可并网 。 ？并网方式 结论 ：在与电网并联运行的定桨距风力发电系 统中大多采用异步发电机 。 为了充分利用低风 速时的风能，广泛采用双速异步发电机。 第二节 交流发电机 二异步发电机 4.优缺点 双速异步发电机系指具有两种不同的同步转速 (低同步转速及 高同步转速 )的电机低风速时小电机运行，高风速时大电机运 行，一方面可以提高风力发电机组的风能利用率；另一方 面，可以极大地减少机组的启 /停次数 ,延长机组的使用寿 命。 风力发电原理 项目 异步发电机 同步发电机 结构 定子与同步发电机相同 , 转子为鼠笼 ,结构简单、 牢固。 转子上有励磁绕组和 阻尼绕组 ,结构复杂。 励磁 不需要励磁装置及励磁 调节装置。 需要励磁装置及励磁 调节装置。 并网 强制并网 ,不需要同步 装置 ,无失步现象 ,运行 时只需适当限制负荷。 需要同步合闸装置 ,负 载急剧变化时有可能 失步。 维护检修 定子的维护与同步机相 同 ,转子基本不需要维 护。 除定子外 ,励磁绕组及 励磁调节装置需维护。 第二节 交流发电机 异步发电机与同步发电机的比较 风力发电原理 项目 异步发电机 同步发电机 功率因数 功率因数由输出功率决 定 ,不能调节。需要电网 供给励磁的无功电流 ,因 而导致功率因数下降。 功率因数可以很容易地 通过励磁调节装置予以 调整 ,即可在滞后的功率 因数下运行 ,也可在超前 的功率因数下运行。 冲击电流 强制并网 ,冲击电流大。 有时需要采用限流措施。 有同步装置 ,并网时冲 击电流小。 电压调节 单独运行时电压频率的 调节 单独运行时电压频率的 调节 异步发电机与同步发电机的比较 风力发电原理 单机独立运行的自励异步发电机： 1）建立电压的条件是： 发电机必须 有剩磁 ，一般情况下，发电机都会有剩 磁存在，万一失磁，可用蓄电池充磁的方法重新获得 剩磁。 在异步发电机的输出端 并上 足够数量的 电容。 第二节 交流发电机 三独立运行的交流风力发电机组的自励问题 1 电容自励异步发电机 自励异步风力发电机 风力发电原理 2)建立电压时注意的问题： （ 1）对应着 最小临界电容 值 （ 2）对应着 发电机 的 最小转速 。 第二节 交流发电机 三独立运行的交流风力发电机组的自励问题 1 电容自励异步发电机 风力发电原理 3)单机独立运行自励异步发电机的频率 )1(601 s pnf s 第二节 交流发电机 三独立运行的交流风力发电机组的自励问题 1 电容自励异步发电机 (1)负载增加时， 为了维持发电机的频率不变，必 须相应地提高发电机转子的转速 。因为异步发电 机的滑差绝对值 增大， （ 2）负载增加，发电机端电压下降，导致容性励 磁电流的减少， 为保持端电压不变，必须增加并 接电容的数值，以增大励磁流。 风力发电原理 很难保证电压和频率不变。 在负载变化时，在调转速的同时，尚需根据负 载的大小和性质调节电容量的数值，而这种调 节除非有自动装置，否则很难以保证电压和频 率不变。 4)单机独立运行自励异步发电机的特点： 第二节 交流发电机 三独立运行的交流风力发电机组的自励问题 1 电容自励异步发电机 风力发电原理 2 硅整流自励交流发电机 1） 结构 定子绕组为三相 ， Y形连接 ， 转子励磁绕组通过滑 环得到经硅整流器的直流励磁电流 第二节 交流发电机 三独立运行的交流风力发电机组的自励问题 风力发电原理 （ 1） 风变化 ， 发电机 转速变化 ， 发电机出口 电压波动 。 （ 2） 导致励磁电流变化 ， 励磁磁场变化 ， 造成 电压的波动 ， 这 种连锁反应使得电压的波动范围不断增加 。 (3) 电压波动向负载独立供电时 ， 将造成 用电设备损坏 。 此外 独立运行的风力发电机都带有蓄电池组 ， 电压的波动会 导致蓄 电池组过充电 ， 从而降低了蓄电池组使用寿命 。 第二节 交流发电机 三独立运行的交流风力发电机组的自励问题 2 .硅整流自励交流发电机 2） 存在问题 风力发电原理 3)解决办法：励磁调节器 使发电机能自动 调节其励磁电流 (励磁磁通 )的大小 ， 来 抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对 发电机端电 压 的影响 。 （ 1）结构：电压继电器、电流继电器、逆流继电器及其所 控制的动断触点 J1、 J2和动合触点 J3以及电阻 R1、 R2等 组成。 （ 2） 工作原理 a )当发电机转速较低 ， 发电机端电压低于额定值时 ， 电 压继电器 V不动作 ， 其动断触点 J1闭合 ， 硅整流器输出端 电压直接施加在励磁绕组上 ， 发电机属于正常励磁状况 . b) 风速大 ， 发电机转速增高 ， 端电压高于额定值 ， 动断 触点 J1断开 ， 励磁回路中被串入了电阻 R1， 励磁电流及 磁通随之减小 ， 发电机输出端电压也随之下降 ；当电压 降至额定值 ， 触点 J1闭合 ， 发电机恢复正常励磁状况 。 第二节 交流发电机 三独立运行的交流风力发电机组的自励问题 2 .硅整流自励交流发电机 风力发电原理 c) 负载过多 ,电流过大 ,会使发电机过负荷运行。 当发电机 输出电流高于额定值时，动断触点 J2断开，电阻 R1被串入 励磁回路，励磁电流减小，从而降低了发电机输出端电 压，并减小了负载电流 。 d)为了防止无风或风速太低时，蓄电池组向发电机送电，装 有 逆流继电器 。逆电流继电器由电压线圈 v、电流线圈 I、动合触点 J3及电阻 R2组成。发电机正常工作时，使动 合触点 J3闭合；当风速太低，使得动合触点 J3断开，从而 断开了蓄电池向发电机励磁绕组送电的回路。 第二节 交流发电机 三独立运行的交流风力发电机组的自励问题 2 .硅整流自励交流发电机 3)解决办法：励磁调节器 （ 2） 工作原理 风力发电原理 (1)特点：与永磁发电机比较，优点：能随风速 变化自动 调节发电机的输出端电压 ， 防止产 生对蓄电池过充电 ，延长蓄电池的使用寿 命；同时还实现了 对发电机的过负荷保护 (2)缺点：但励磁调节器的动断触点，由于其断 开和闭合的动作较频繁，需对触头材质及断 弧性能做适当的处理。 三独立运行的交流风力发电机组的自励问题 2 .硅整流自励交流发电机 4)优缺点 风力发电原理 近来，随着电力电子技术和微机控制技术的发展， 双馈型异步发电机 (Doubly-Fed Induction Generator， 简称 DFIG)得到了广泛的重视。 DFIG在结构上类似绕线式异步电机，具有定、转子 两套绕组。在控制中， DFIG转子一般由接到电网上 的变换器进行交流励磁。 第三节 双馈异步发电机 风力发电原理 风力发电原理 一 特点 1 特点： DFIG兼有异步发电机和同步发电机的特 性 ， （ 1）如果从发电机转速是否与同步转速一致来定 义，则 DFIG应当被称为异步发电机 （ 2）但 DFIG在 性能上 又 不象异步发电机，相反具 有很多同步发电机的特点 。 异步发电机转子无励磁绕组，而 DFIG与同步发电机一 样，具有独立的励磁绕组 ;异步发电机无法改变功率因 子， DFIG与同步发电机一样可调节功率因子。所以 DFIG可称为 交流励磁同步发电机， 实际上，它是具有 同步发电机特性的交流励磁异步发电机 ，相对于同步 发电机， DFIG具有很多的优越性。 第三节 双馈异步发电机 风力发电原理 2 好处 （ 1）同步发电机 励磁电流 的 可调量只有幅值 ，所以一般只能 调节无功功率 。 （ 2）而 DFIG实行交流励磁， 可调量有三个 :一是励磁电流 幅值 ;二是励磁电流频率 ;三是励磁电流相位 。由于 DFIG励 磁电流的可调量比同步发电机多了两个，控制上更加灵活 : 改变转子励磁电流频率， DFIG可以实现变速恒频运行 ;改 变转子励磁电流的相位，使转子电流产生的转子磁场在气 隙空间上有一个位移，改变了发电机电势相量与电网电压 相量的相对位置，调节了发电机的功率角，所以 交流励磁 不仅可调节无功功率，也可调节有功功率 。 在功率调节上 DFIG较同步发电机有更多的优越性 第三节 双馈异步发电机 一 特点 风力发电原理 3 结论： (1) DFIG实行交流励磁不仅可调节无功功率，也可调节有 功功率。 而同步发电机直流励磁，其电流可调量只有幅 值，所以一般只能调节无功功率， （ 2） DFIG通过 改变转子励磁电流频率，转子可运行在变 化的速度状态，实现变速恒频运行。 同步发电机的转子 必须运行在恒定转速，和风力机配合发电时，要求恒速 恒频。 （ 3） DFIG通过转子上加交流 励磁电流，可进行无功调节 异步发电机必须从电网上吸收无功功率产生定子的励 磁电流，所以无法进行无功调节， 第三节 双馈异步发电机 一 特点 风力发电原理 1 同步发电机在稳态运行时的 频率 ，其输出端电压的频率 与发电机的极对数及发电机转子的 转速 有着严格 固定 的关 系，即 f=pn/60,故当风力机带动发电机转子作变速运行时， 同步发电机不可能发出恒频电能。 2 如果转子做变速运行其速度为 nm,对定子产生的旋转磁场 的频率为 fm,另外在加入一组交流电流在转子上，其频率为 f2，产生的旋转磁场相对于转子的转速为 n2=60f2/p,如果控 制 nm n2=n1=同步转速，则定子发出的频率恒定。 即： f1=fm f2=fm Sf1 第三节 双馈异步发电机 二 工作原理 其中 s为异步电机的转差率 ， s=n1-nm/n1 1 112 2 6060 )( 60 sf Spnnnppnf m 风力发电原理 3 结论： 亚同步 状态：当发电机的转速 小于 同步转速时， nm+n2=n1，滑差频率 f2产生的 旋转磁场与转子旋转 速度 相同，此时励磁变换器 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 ; 超同步 状态：发电机的转速 大于 同步转速时， nm n2=n1 ，滑差频率 f2产生的 旋转磁场与转子旋转速 度 反向，此时发电机同时 由定子和转子发出电能给 电网 ，励磁变换器的能量流向逆向 ; 同步 状态：发电机的转速 等于 同步转速时， nm=n1， 此时发电机作为同步电机运行， 由定子发出电能给 电网 ，励磁变换器 向转子提供直流励磁 。 第三节 双馈异步发电机 二 工作原理 风力发电原理 双馈异步发电机在亚同步运行及超同步运行时的 功率流向如图 3-23所示 ， 图中 Pem为发电机的 电磁功率 ， S为电机的滑差率 ， Pm为输入机械 功率 。 第三节 双馈异步发电机 三 功率传递关系 风力发电原理 采用双馈型异步发电机的交流励磁变速恒频风力 发电系统 第三节 双馈异步发电机 四 双馈型变速恒频风力发电系统 风力发电原理 直驱 ： 用与风力机速度同步的低速多极永磁发电机 直接联接风力机 ， 可以避免增速箱带来的诸多不 利 (其中噪音和磨损主要是高转速造成的 )。 直驱 的优势还体现在整体效率高 、 可靠性高 、 降低机 组整体重量以及大大减少维护 。 实质： 风力机直接驱动的低速交流发电机 （ 目前研 制的永磁的 ） 第四节直驱型发电机 风力发电原理 1 根据电机理论知，交流发电机的转速 (n)与发电 机的极对数 (p)及发电机发出的交流电的频率 (f) 有固定的关系，即 2 当 f=50HZ为恒定值时，如若发电机的转速愈 低，则发电机的极对数应愈多 3 采用 永久磁体，可以使转子的结构简单 60 fp n 第四节直驱型发电机 一 特点 发电机转子磁极数多，定子内径大，外形酷似 一个扁平的大圆盘 风力发电原理 发电机转子磁极数多导致 发电机绕组的电势波 形不再是正弦形的 ，必须采用相应的处理 。如 采用 分数槽绕组 ，或在变速运行的风电机组中， 通过 逆变器中采用 PWM(脉宽调制 )方式来获得 正弦波形的交流电 。 第四节直驱型发电机 二 问题 三 直驱型变速恒频风力发电系统 风力发电原理 复习题 1 请画图说明什么是自励式发电机和他励式直流 发电机，并说明励磁电流的作用。 2 风力发电系统的电磁转距和风轮转距之间有什 么关系？ 并网的风力发电机组可使用那些交流发电 机，他们对前面的风轮的速度有什么要求？ 请画出在亚同步和超同步双馈电机的功率流 向图，并解释什么叫亚同步状态，什么叫超 同步状态，异步发电机在两种下功率流向又 如何？