1、朱永强朱永强 风电场电气工程风电场电气工程 华北电力大学华北电力大学 风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 第第4 4章章 风电机组的输出特性与运行控制风电机组的输出特性与运行控制 章节设置章节设置 4 4.1 1 风电机组运行原理风电机组运行原理 4 4.2 2 笼型感应风电机组的运行特性与控制笼型感应风电机组的运行特性与控制 4 4.3 3 双馈感应风电机组的运行特性与控制双馈感应风电机组的运行特性与控制 4 4.4 4 直驱式永磁同步风电机组的运行特性直驱式永磁同步风电机组的运行特性 风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 第第4
2、 4章章 风电机组的输出特性与运行控制风电机组的输出特性与运行控制 教学目标：教学目标：理解风力机的运行特性与发电机的基本运行原理，以及风电理解风力机的运行特性与发电机的基本运行原理，以及风电 机组并网换流器的电路结构和工作原理，掌握鼠笼型感应风机组并网换流器的电路结构和工作原理，掌握鼠笼型感应风 电机组、双馈感应式风电机组和直驱式永磁同步风电机组的电机组、双馈感应式风电机组和直驱式永磁同步风电机组的 输出特性和控制原理，了解三种风电机组的基本运行操作。输出特性和控制原理，了解三种风电机组的基本运行操作。风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 第第4 4章章 风电机
3、组的输出特性与运行控制风电机组的输出特性与运行控制 知识点知识点 风力机的运行特性；风力机的运行特性；三种发电机的运行原理；三种发电机的运行原理；鼠笼型感应风电机组的输出特性与控制原理；鼠笼型感应风电机组的输出特性与控制原理；双馈感应式风电机组的输出特性与控制原理；双馈感应式风电机组的输出特性与控制原理；直驱式永磁同步风电机组的运行特性与控制原理；直驱式永磁同步风电机组的运行特性与控制原理；三种风电机组的运行操作。三种风电机组的运行操作。风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 4.1 4.1 风电机组运行原理风电机组运行原理 4.1.1 4.1.1 风力机的运行特性
4、风力机的运行特性 4.1.2 4.1.2 发电机的运行原理发电机的运行原理 4.1.3 4.1.3 并网换流器的结构和原理并网换流器的结构和原理 风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 4.1.1 4.1.1 风力机的运行特性风力机的运行特性 风力机的机械功率可用下式表达：风力机的机械功率可用下式表达：C Cp p为为风能利用系数风能利用系数，是可以控制的是可以控制的 。根据。根据BetzBetz理论，风力理论，风力 机机C Cp p的理论最大值是的理论最大值是0.590.59，实际值通常在，实际值通常在0.470.47左右。左右。叶尖速比叶尖速比，常用常用 表示为
5、：表示为：风能利用系数风能利用系数C Cp p与与叶尖速比叶尖速比 的关系大致如下图所示：的关系大致如下图所示：为了使为了使C Cp p维持最大值维持最大值，当风速变化时，风力机转速也需要随，当风速变化时，风力机转速也需要随 之变化，使之运行于之变化，使之运行于最佳叶尖速最佳叶尖速。3mpwp1 w=0.5CPC PA vwvRCp风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 4.1.1 4.1.1 风力机的运行特性风力机的运行特性 不同风速下（风速不同风速下（风速v 1 v 2 v 3 v 4 v 5 v6）风力机）风力机 的的输出功率特性输出功率特性，如下图：，如下图
6、：PP Poptopt风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 4.1.2 4.1.2 发电机的运行原理发电机的运行原理 1.1.同步发电机同步发电机 同步发电机的工作原理示意图：同步发电机的工作原理示意图：从而在定子绕组中产生从而在定子绕组中产生感应电动势感应电动势。若定子绕组接有外部闭。若定子绕组接有外部闭 合回路，就会有电流从定子绕组流入外电路，或者说有功率合回路，就会有电流从定子绕组流入外电路，或者说有功率 送到外电路。送到外电路。同步发电机的转子绕组同步发电机的转子绕组中要通入中要通入直流励磁电流直流励磁电流，形成相对于转子静止的形成相对于转子静止的恒定磁场
7、恒定磁场。当转子在风。当转子在风力机的驱动下以转速力机的驱动下以转速n旋旋转时，转子磁场将随着转时，转子磁场将随着转子一起以转速转子一起以转速n旋转旋转。风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 1.1.同步发电机同步发电机 定子旋转磁场的转速定子旋转磁场的转速n1n1由定子绕组中流过的交流电流的频率由定子绕组中流过的交流电流的频率 f f1 1决定，还与定子铁心的磁极对数决定，还与定子铁心的磁极对数p p有关，其关系为有关，其关系为 同步发电机的定子电流主要是感应出来的，事实上，定子电同步发电机的定子电流主要是感应出来的，事实上，定子电 流的频率反过来是由转子的转速
8、（在同步机中，转子转速流的频率反过来是由转子的转速（在同步机中，转子转速n n 等于同步速等于同步速n n1 1）决定的，即）决定的，即 1160(/min)fnrp1160pnf 风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备 2.2.异步发电机异步发电机 异步发电机的工作原理下图所示：异步发电机的工作原理下图所示：异步机的定子绕组与外电路相连，当绕异步机的定子绕组与外电路相连，当绕组中流过对称的三相电流时，就会形成组中流过对称的三相电流时，就会形成同步旋转磁场同步旋转磁场。仍假设定子旋转磁场的。仍假设定子旋转磁场的转速为转速为n1，当异步机的转子在风力机，当异步机的转子
9、在风力机的驱动下，以转速的驱动下，以转速n旋转时，转子绕组旋转时，转子绕组的导体与定子旋转磁场之间有的导体与定子旋转磁场之间有n-n1的的转速差转速差。该转速差造成转子绕组与定子。该转速差造成转子绕组与定子磁场之间相对运动，因而会在转子绕组磁场之间相对运动，因而会在转子绕组中中感应出电动势感应出电动势，同时在闭合的转子绕，同时在闭合的转子绕组回路中产生电流。组回路中产生电流。风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备 2.2.异步发电机异步发电机 异步电机转子中感应电流的频率应为异步电机转子中感应电流的频率应为 转子磁场相对于定子绕组的转速为转子磁场相对于定子绕组的转速
10、为 转子磁场相对于定子绕组的转速为转子磁场相对于定子绕组的转速为 定子绕组中电流的频率定子绕组中电流的频率f1f1 为为 转差率的定义为转差率的定义为 12()60p nnf211()nnnnnn1160pnf 11nnsn风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备 3.3.交流励磁式发电机交流励磁式发电机 交流励磁式发电机，是在交流励磁式发电机，是在转子绕组转子绕组中通入中通入低频交流励磁电流低频交流励磁电流。励磁电流是外部提供的，因而可以进行准确控制，从而影响励磁电流是外部提供的，因而可以进行准确控制，从而影响 到发电机中的相对运动速度。到发电机中的相对运动速度。当
11、转子以转速当转子以转速n n旋转时，如果能够控制转子绕组励磁电流的、旋转时，如果能够控制转子绕组励磁电流的、频率频率f f2 2，使得转子磁场相对于转子本身的转速，使得转子磁场相对于转子本身的转速n n2 2（可以与转（可以与转 子旋转方向相同或相反）始终满足子旋转方向相同或相反）始终满足 则可以在发电机转速则可以在发电机转速n n发生变化的情况下，仍能保持发生变化的情况下，仍能保持定子输定子输 出电压频率恒定。出电压频率恒定。21nnn风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 4.1.3 4.1.3 并网换流器的结构和原理并网换流器的结构和原理 目前，应用于风力发电
12、中的电力电子换流器主要是基于全控目前，应用于风力发电中的电力电子换流器主要是基于全控 型电力电子器件的交型电力电子器件的交-直直-交（交（ACAC-DCDC-ACAC）电压源型变流器电压源型变流器（Voltage Source Converter,Voltage Source Converter,VSCVSC）。）。4.1.3.1 4.1.3.1 三相电压源型变流器的基本工作原理三相电压源型变流器的基本工作原理 三相电压源型变流器（三相电压源型变流器（VSCVSC）的原理结构如下图：的原理结构如下图：RRRLLL+-RRRLLL+-RRRLLL+-RRRLLLABCO+-EaEbEciaibd
13、c2Udc2UVT1VT3VT5VT4VT6VT2VD1VD3VD5VD4VD6VD2dc2UVT1VT3VT5dc2UVT4VT6VT2OABCVD1VD3VD5VD4VD6VD2iaibicicEaEbEcN N风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备 4.1.3.1 4.1.3.1 三相电压源型变流器的基本工作原理三相电压源型变流器的基本工作原理 以以A A相输出控制为例，分析电压源型变流器的工作原理：当相输出控制为例，分析电压源型变流器的工作原理：当 可关断器件可关断器件VT1VT1开通、开通、VT2VT2处于关断状态处于关断状态时，正向直流端和交时，正向直流
14、端和交 流侧流侧A A相连，相对于直流侧电源假想中点的交流输出电压跳相连，相对于直流侧电源假想中点的交流输出电压跳 变为变为U Udc/2dc/2。当可关断器件。当可关断器件VT1VT1关断、关断、VT2VT2开通开通时，负向直流时，负向直流 端和交流侧端和交流侧A A相连，相对于直流侧电源假想中点的交流输出相连，相对于直流侧电源假想中点的交流输出 电压跳变为电压跳变为-U Udc/2dc/2。具体波形见下图：具体波形见下图：表达式为：表达式为：dcAOAO.1AdcBOBO.1BdcCOCO.1C222UuumUuumUuum风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备
15、 4.1.3.2 4.1.3.2 背靠背四象限电压源型变流器联网运行特性背靠背四象限电压源型变流器联网运行特性 背靠背电压源型变流器是由两个结构相同的电压源型变流器背靠背电压源型变流器是由两个结构相同的电压源型变流器 以以背靠背背靠背方式、通过中间的直流环节耦合而成。如下图：方式、通过中间的直流环节耦合而成。如下图：VSC1VSC1、VSC2VSC2分别通过断路器与交流电网相联，相关接线如分别通过断路器与交流电网相联，相关接线如 下：下：R2R2R2L2L2L2+-Ea2Eb2Ec2ia2ib2ic2R1R1R1L1L1L1Ea1Eb1Ec1ia1ib1ic1UdcCi01i02iCVSC1V
16、SC2ua1ub1uc1ua2ub2uc2风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 4.2 4.2 笼型感应风电机组的运行特性与控制笼型感应风电机组的运行特性与控制 4.2.1 4.2.1 笼型感应风电机组的运行原理笼型感应风电机组的运行原理 4.2.2 4.2.2 笼型感应风电机组的风速笼型感应风电机组的风速-功率特性功率特性 4.2.3 4.2.3 笼型感应风电机组的运行控制笼型感应风电机组的运行控制 风电场电气工程风电场电气工程 风电场电气一次系统风电场电气一次系统 4.2 4.2 笼型感应风电机组的运行特性与控制笼型感应风电机组的运行特性与控制 4 4.2 2.1 1 笼型感应风电机组的运行原理笼型感应风电机组的运行原理 笼型感应电机等效电路图笼型感应电机等效电路图 ：上图：上图：笼型感应笼型感应电机电机T型等效电路型等效电路 下图：下图：笼型感应笼型感应电机电机 型等效电路型等效电路 风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备 4.2.1 4.2.1 笼型感应风电机组的运行原理笼型感应风电机组的运行原理 根据根据 型等效电路图
