第四章 风力发电机组的运行特性0731

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1、第四章风力发电机组的运行特性14.1风力发电系统的一般构成及分类14.2风力机的功率调节原理34.2.1风力机的输出功率34.2.2风力机功率调节原理54.2.3风力机相关技术参数54.3三相交流异步发电机的基本电磁理论74.3.1三相交流异步电机的结构74.3.2三相交流异步电机的基本工作原理84.3.3静止坐标系下的三相交流异步电机的数学模型104.3.4dq旋转坐标系下的三相交流异步发电机的数学模型134.4电压源型变流器工作原理及运行特性174.4.1三相电压源型变流器的基本工作原理174.4.2三相电压源型变流器联网运行特性194.4.3背靠背四象

2、限电压源型变流器联网运行特性204.5定速型风电机组的运行特性234.5.1鼠笼式感应风电机组的运行原理234.5.2鼠笼式感应风电机组的风速-功率特性264.5.3鼠式笼感应风电机组的运行控制274.6变速型风电机组的运行特性314.6.1双馈感应式风电机组的运行原理314.6.2双馈感应式风电机组的运行状态及功率传递关系324.6.3双馈感应式风电机组的运行控制344.6.4双馈感应式异步风电机组的撬杠保护364.6.5双馈感应式异步风电机组的运行操作394.7直驱式永磁同步风电机组的运行特性414.7.1永磁同步发电机的数学模型414.7.2永磁同步发

3、电机的外特性424.7.3直驱式永磁同步风电机组的运行控制原理434.7.4直驱式永磁同步风电机组的运行操作45参考文献4747第四章风力发电机组的运行特性风力发电机组由风力机和发电机及其控制系统组成，其中风力机完成风能到机械能的转换，发电机及其控制系统完成机械能到电能的转换。本章将首先介绍风力发电系统的构成及各主要设备的运行原理，在此基础上，介绍恒速恒频式、变速恒频式和永磁直驱式等三种典型风电机组运行特性。4.1风力发电系统的一般构成及分类风力机和发电机是风力发电系统的基本部件，随着电力电子技术的飞速发展，现代大容量风力发电机组还引入了电力电子变换器，以实

4、现发电机电磁功率与风力机机械功率的柔性匹配，进而改善风电机组的整体运行性能。图4-1为风力发电系统的一般构成[]，主要包括风力机、齿轮箱（可选）、发电机、电能变换装置（可选）等。图4－1风力发电系统的一般构成根据图4-1中各部件类型及组合的不同，目前主要有以下三类风力发电系统：1)恒速恒频式（ConstantSpeedConstantFrequency,CSCF）风力发电系统，其特点是在有效风速范围内，发电机组产生的交流电能的频率恒定，发电机组的运行转速变化范围很小，近似恒定；通常该类风力发电系统中的发电机组为鼠笼式发电机组。2)变速恒频式（Variable

5、SpeedConstantFrequency,VSCF）风力发电系统，其特点是在有效风速范围内，发电机组定子发出的交流电能的频率恒定，而发电机组的运行转速变化；通常该类风力发电系统中的发电机组为双馈感应异步发电机组。3)变速变频式（VariableSpeedVariableFrequency,VSVF）风力发电系统，其特点是在有效风速范围内，发电机组定子侧产生的交流电能的频率和发电机组转速都是变化的，因此，此类风力发电系统47需要串联电力变流装置才能实现联网运行。通常该类风力发电系统中的发电机组为永磁同步发电机组。图4-2～图4-4是几种典型风力发电系统的结

6、构示意图。图4-2恒速恒频式风力发电系统结构示意图图4-3变速恒频式风力发电系统结构示意图图4-4变速变频直驱式风力发电系统结构示意图474.2风力机的功率调节原理风力机是风力发电系统中的原动机，其功能是将风的动能转换为机械能，驱动后续装置——发电机旋转发电。风力机主要包括风轮、塔架和对风装置。风轮是由轮毂及安装于轮毂上的叶片组成，是风力机捕获风能的部件；塔架是为了风轮能在地面上较高的风速中运行；对风装置是实现风向跟踪装置，使风轮总能处于最大迎风方向。现代大容量风力机为水平轴风力机，其优点是扫风面积大、风能利用系数高（Cp能大于0.5）等。按风功率调节方式分

7、类，风力机又可分为定桨距风力机和变桨距风力机两种。定桨距风力机其风功率捕获控制完全依靠叶片的气动性能，难以对风功率的捕获进行精确的控制，其优点是结构简单、造价低、同时具有较好的安全系数。变桨距风力机通过叶片桨距角调节实现风能捕获控制，在低风速条件下具有较高的风能捕获效率，高于额定风速时拥有平稳的风功率输出。因此得到了广泛的应用。但其控制系统较为复杂，对风速的跟踪有一定的延时，可能导致风力机的瞬间超载。4.2.1风力机的输出功率风力机从风中吸收的功率可用下式表示：(4-1)式中：Pm为风轮输出功率（W），Cp为风能利用系数——表征风力机捕获风能能力的参数，A1

8、=pR2为风力机叶片扫略面积（m2），r为空气密度（