1、机 械 工 业 出 版 社 风力发电机的原理与控制宋亦旭编著本书主要介绍了用于风力发电的各种发电机以及电气系统基本原理和控制方面的知识。全书共分 11 章，包括绪论、变压器、变流器、笼型感应发电机、绕线转子感应发电机、电励磁同步发电机、永磁同步发电机、双馈发电机、风力发电用其他发电机、电器元件及发电系统的维护。本书可以作为大学本科、技术专科学校以及各类风电技术培训班的教学用书；也可以作为风电场和风电主机或配套企业管理人员、技术人员以及风电爱好者的自学读物。图书在版编目（CIP）数据风力发电机的原理与控制 宋亦旭编著.北京：机械工业出版社，2012.2(2015.8重印）ISBN 978-7-1
2、11-37333-9I.风.宋.风力发电机 机组.TM315中国版本图书馆 CIP 数据核字（2012）第 016337 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：林春泉 责任编辑：林春泉 版式设计：霍永明责任校对：路恩中责任印制：李洋樊钟英封面设计2012年8月第1版第2次印刷184mm260mm12.5印张303千字30014000册标准书号：ISBN 978-7-111-37333-9定价：38.00元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务网络服务社 服 务 中 心：（010）88361066销 售 一 部：（010）6832629
3、4销 售 二 部：（010）88379649门户网：http：教材网：http：读者购书热线：（010）88379203封面无防伪标均为盗版三河市宏达印刷有限公司印刷前言本书重点介绍了用于风力发电的各种发电机，发电机是风力发电机组中的核心部件之一。一般来说，风力发电机组是由机械、电气和控制三大系统组成的。电气系统包括发电机、变流器、变压器等部件。其中发电机是核心部件，选用不同类型的发电机，就构成了不同类型的风力发电机组。本书主要介绍了风力发电机组电气系统基本原理和应用方面的知识。在介绍上述内容时，本书以应用于大型风力发电机组的各种发电机为主线，以风力发电系统的运行规律为核心，以市场主导机型为重
4、点，力求系统、全面和准确地组织材料。为了使读者更好地掌握发电系统，首先对各种发电机的工作原理和结构作了简要介绍。本书可以作为大学本科、技术专科学校以及各类风电技术培训班的教学用书；也可以作为风电场和风电主机或配套企业管理人员、技术人员以及风电爱好者的自学读物。感谢读者选择本书，作者愿意与读者进一步交流，听取各方面的批评和意见，以求增长知识，改进工作。编著者2011 年 7 月目录前言主要物理量符号表第一章 绪论1 第一节 风力发电机组的概述1 一、风力发电机组的工作原理1 二、风力发电机组的构成3 三、风力发电机组的分类4 第二节 风力发电机组的运行5 一、风力发电机组的稳态工作点5 二、最佳
5、风能利用系数6 三、风力发电机组的运行特征8 第三节 风力发电系统12 一、发电系统的总体结构12 二、发电系统的形式12 第四节 风力发电机14 一、风力发电机的种类14 二、风力发电机的基本参数14 三、发电机的温控与润滑16 四、空间坐标矢量变换18第二章 变压器19 第一节 变压器的工作原理和基本结构19 一、工作原理和分类19 二、变压器的主要部件20 三、变压器的冷却23 四、变压器的额定值25 第二节 变压器的负载运行25 一、运行规律25 二、基本方程式26 三、折算法28 四、相量图31 五、等效电路31 六、变压器的运行特性34 第三节 三相变压器34 一、三相变压器的组成
6、34 二、三相变压器的磁路系统35 三、三相变压器的电路系统36第三章 变流器38 第一节 电力电子器件38 一、电力电子器件的概念和特征38 二、电力电子器件的分类38 三、常用电力电子器件39 第二节 电源变换基本拓扑结构43 一、AC-DC 变换电路43 二、DC-DC 变换电路47 三、DC-AC 变换电路48 第三节 风力发电机组变流器的应用技术50 一、正弦脉宽调制（SPWM）技术50 二、大功率变流技术51 三、多重化技术54 四、低电压穿越技术54 第四节 变流器外形及其温控55第四章 笼型感应发电机57 第一节 笼型感应发电机的工作原理和基本结构57 一、工作原理57 二、基
7、本结构58 第二节 笼型感应发电机的运行59 一、基本方程式、等效电路和相量图59 二、感应发电机的电磁转矩61 三、并网运行时无功功率补偿62 四、感应发电机的工作特性62 第三节 定速风力发电系统63 一、系统的构成63 二、并网方式63 第四节 双速风力发电系统65 一、双速发电机65 二、运行过程66 三、电力参数监测69 四、双速发电机机组控制系统70 第五节 变速恒频发电系统72第五章 绕线转子感应发电机75 第一节 绕线转子感应发电机的结构和工作原理75 一、结构75 二、发电机转子电流控制技术75 第二节 优化转差风力发电系统77 一、系统的构成77 二、无功功率补偿78 三、
8、故障穿越技术78 第三节 功率和转速的控制78 一、优化转差机组的运行78 二、优化转差的变桨距系统79第六章 电励磁同步发电机84 第一节 电励磁同步发电机的工作原理和基本结构84 一、工作原理84 二、基本结构85 三、同步发电机的励磁方式86 第二节 电励磁同步发电机的运行88 一、隐极同步发电机电动势方程式、等效电路和相量图88 二、凸极同步发电机电动势方程式和相量图89 三、转矩转速特性90 四、同步发电机的外特性和调节特性90 五、有功功率调节和无功功率补偿91 第三节 电励磁同步发电机的发电系统92 一、定速同步风力发电系统及其并网92 二、变速同步风力发电系统93第七章 永磁同
9、步发电机95 第一节 永磁同步发电机的工作原理和基本结构95 一、工作原理95 二、基本结构95 三、永磁同步发电机的运行97 第二节 外转子永磁风力发电机98 一、外转子永磁风力发电机结构特点98 二、外转子永磁风力发电机数学模型98 第三节 直驱型永磁风力发电机组100 一、直驱型风力发电系统的构成100 二、直驱型发电系统变流方案101 三、直驱型发电系统的保护电路102 第四节 不可控整流 Boost 逆变变流器的控制105 一、控制系统结构106 二、风力发电并网逆变器的工作原理108 第五节 中转速发电机型（半直驱）风力发电机组111第八章 双馈发电机112 第一节 双馈发电机的基
10、本结构和工作原理112 一、基本结构及特点112 二、基本方程式、等效电路和相量图113 三、定、转子电流计算116 四、能量流动平衡关系117 第二节 双馈式风力发电系统120 一、基本结构120 二、背靠背恒压源 PWM 调制电路121 三、双馈发电系统的保护电路123目 录 第三节 双馈发电系统并网和脱网127 一、空载并网方式127 二、带独立负载并网128 三、孤岛并网方式129 第四节 双馈发电系统的控制131 一、双馈发电系统变速运行131 二、转子侧变流器的矢量控制133 三、转子侧变流器的直接转矩控制139 四、转子侧变流器的直接功率控制143 五、网侧变流器的控制147 六
11、、控制柜150第九章 风力发电用其他发电机154 第一节 电励磁发电机154 一、开关磁阻发电机154 二、电励磁多极同步发电机155 三、高压发电机156 四、无刷双馈发电机156 第二节 永磁发电机157 一、轴向磁通电机157 二、横向磁通永磁电机158 三、双凸极永磁电机160第十章 电器元件162 第一节 开关电器162 一、真空断路器162 二、交流接触器164 三、熔断器164 第二节 继电器165 一、热继电器165 二、中间继电器165 第三节 母线与电缆165 一、母线165 二、电力电缆166 第四节 信号检测元件168 一、互感器168 二、电量变送器169 三、电压与
12、电流的测量171 四、电功率测量173第十一章 发电系统的维护174 第一节 发电机的维护及故障分析174 一、发电机的安装174 二、电气连接及空载运转174 三、运行维护175 四、发电机的故障分析176 第二节 变流器的维护及故障处理177 一、变流器的维护177 二、变流器常见故障及处理178 第三节 变压器的维护178 第四节 其他常用电器部件的维修179 一、熔断器的使用与维修179 二、电缆的使用与敷设181 三、母线的使用与安装183 四、中间继电器的维修184 五、交流接触器的运行与维修185参考文献187风力发电机的原理与控制主要物理量符号表A 风轮面积（风力机）C 电容C
13、P 风能利用系数（风力机）CT 电磁转矩常数（永磁电机）Ce 电动势比例常数（永磁电机）DY 占空比（直流斩波器）e 电动势瞬时值E 电动势有效值E0 励磁电动势（同步电机）Ea 电枢反应电动势（同步电机）E 定子漏电动势（同步电机）E1、E2 分别为一次、二次侧漏磁电动势（变压器）Eaq q 轴电枢电动势（永磁电机）E 气隙合成电动势（永磁电机）Eg 永磁体产生的电动势（永磁电机）f 频率f1 旋转磁场频率fm 转子机械频率f2 转差频率（双馈电机）fe 电频率（永磁电机）fem 电磁力（感应电机）F 作用在叶片上的气动合力（风力机）Fd 驱动力（风力机）F1 轴向推力（风力机）F 磁动势F
14、0 空载电流产生磁动势（变压器）F1 定子基波磁动势（双馈电机）F2 转子电流产生的基波旋转磁动势（双馈电机）Fm 合成磁动势i 电流瞬时值id、iload 分别是流经网侧变流器和转子侧变流器直流母线的电流（背靠背双 PWM）idc 电容电流（背靠背双 PWM）i2a 转子电流的有功分量（感应电机）i1a 定子上与 i2a相平衡的电流（感应电机）ig 定子电流空间矢量（永磁电机）in 电网电流（逆变器）in1 in的基波分量（逆变器）is 输出电流（逆变器）is1 is的基波分量（逆变器）I 电流，交流表示有效值I0 空载电流（变压器）I1L 一次电流的负载分量（变压器）；定子电流的负载分量（
15、双馈电机）Ik 极限电流（感应电机）Idc 发电机的输出电流（永磁电机）Im 励磁电流（双馈电机）If 励磁电流（同步电机）J 电机转子转动惯量k 变压比（变压器）；比例系数kN1、kN2 分别为电机定子、转子绕组系数（感应电机）L 电感Ln 输出回路电感（逆变器）L2 转子一相绕组的漏感（双馈电机）Lm1、Lm2 分别为定子互感和转子互感（双馈电机）L11、L12 分别为定子漏感和转子漏感（双馈电机）L1、L2 分别为定、转子等效自感（双馈电机）Lm 定、转子间互感（双馈电机）m 相数Mm 主传动系统的输出转矩；发电机机械驱动转矩Mfw 摩擦转矩（发电系统）Mr 风力机的机械转矩（风力机）M
16、e 发电机电磁转矩ML 负载阻转矩（双馈电机）Mk 极限转矩（感应电机）Me1 发电机输出转矩n 转子每分钟转数ns 在发电机同步转速下的风轮转速nr 风轮转速n1 同步转速n2 转差旋转速度（双馈电机）N 绕组匝数p 电机绕组的极对数P 对时间 t 求异符号PW 风功率Pr 风力机输出功率Pm 主传动系统的输出功率Pe 发电系统的输出功率PCu1 电机定子绕组铜耗PCu2 电机转子绕组铜耗PCu2 广义铜耗（双馈电机）Pe1 发电机输出电功率PFe、Padd和 Pfw 分别是铁损、转子空气动力损耗和摩擦损耗Pem 电磁功率P0 发电机空载损耗（永磁电机）P1 定子有功功率（双馈电机）P2 励磁系统输入电机的功率（双馈电机）Q1 定子无功功率（双馈电机）R 风轮半径（风力机）；电阻Rm 励磁电阻Rk 短路电阻（变压器）Ra 电枢电阻（同步电机）s 电机转差率SN 电机额定容量Sa、Sb、Sc 分别为三相桥臂的开关函数Sp、Sq 两相开关函数t 时间ton 开通时间（直流斩波器）Ts 开合周期（直流斩波器）T 励磁时间常数（双馈电机）T2 采样周期（逆变器）u 电压瞬时值un 电网电压u
