风力发电机组的组成与构造

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：永磁同步发电机系统风力机有直驱式和齿轮传动式，直驱式要采用低速多极发电机。由于恒速恒频风电系统是依靠风力机的失速性能，由风力机保持异步发电机的转速，使之在允许的转差范围内运行，因此对风速的适应范围小，风能的利用率不高。变速恒频风力发电系统中，发电机定子通过变流器连接电网。

风力发电机的转速受风力变化影响很大，虽然风力机有桨距调节和齿轮箱升速，但发电机转速仍是不稳定的。转速不稳定带来的是发电机输出频率不定和输出功率不定，这对独立的发电系统问题不大，但对并网的风力发电系统就会带来一系列问题。由于频率相同是并网的必要条件，如果发电机直接并网，当风力机不能使发电机达到同步转速时，发电机就要变成电动机，这时不仅不能发电还要消耗电能，因此直接并网对风速的要求很高，风速必须达到一定值才能发电。若发电机经过电力电子变流器并网，由变流器保证发电系统输出频率与电网一致，则可以扩大风力发电机对风速的利用范围。

1.风力发电系统的组成

（1）采用笼型异步发电机的风力发电系统图8.2所示是采用笼型异步发电机的风力发电系统。风力机一般用齿轮箱提升转速，虽然在同步转速以上异步发电机都可以发电，但是系统不一定工作在最佳功率状态，对风能的利用率低。笼型异步发电机也可以工作在电动状态，在发电机连网起动时可利用发电机的电动方式起动，为了避免起动时的电流冲击，图8.2a所示系统使用了双向晶闸管组成的交流调压软起动器，使发电机减压起动，在起动结束后短接，切除软起动器，异步发电机定子直接连接电网。这是20世纪80～90年代主要采用的风力发电形式。交流异步发电机运行时要从电网吸取感性无功，因此在定子进线侧并联了电容器组进行无功补偿。随电力电子技术发展，在异步发电机进线侧连接全功率变流器，如图8.2b所示，通过全功率变流器与电网连接，全功率变流器可以调频、调压和进行无功补偿，在风速变化时控制输出功率使风力发电系统工作在最佳功率状态，提高风能利用率。

图8.2 采用笼型异步发电机的风力发电系统

图8.3 采用绕线转子异步发电机的风力发电系统

（2）采用绕线转子异步发电机的风力发电系统图8.3所示是采用绕线转子异步发电机的风力发电系统。图8.3a所示发电机定子经软起动器、变压器连接电网，绕线转子外接电阻，可以控制异步发电机的转差，调节发电机转速追踪最佳功率输出，其最大转差率一般在10%左右，可以保持在同步速以上10%范围内发电，能适应风速的变化。其缺点是，外接电阻消耗电能，需与软起动器和补偿电容配合使用。

图8.3b所示绕线转子异步发电机的转子绕组连接了转子励磁变流器，可以控制转子励磁电流双向流动，一般称为双馈异步发电机或转子励磁异步发电机。双馈发电机可以在同步转速的30%上下范围内发电运行，对风速变化的适应能力更强。一般转子励磁容量仅为发动机额定功率的30%左右，比图8.2b所示系统在定子侧连接的全功率变流器容量小，变流器成本降低，但系统的控制和保护要求较高。采用双馈异步发电机的风力发电系统目前已被广为采用。

（3）采用同步发电机的风力发电系统图8.4a所示是采用电励磁同步发电机的风力发电系统，其风力机采用直驱式传动，发电机定子通过全功率变流器连接电网，理论上可以实现全速范围的发电运行，但是直驱式传动转速低，要求发电机的极数多，发电机体积较大，增加了发电机的制造成本。

图8.4b、c所示是采用永磁同步发电机的风力发电系统。永磁同步发电机没有励磁绕组，也就没有励磁绕组的铜耗和集电环、电刷，发电机体积小、重量轻，运行可靠，但目前永磁同步发电机容量还较小。永磁同步发电机系统风力机有直驱式和齿轮传动式，直驱式要采用低速多极发电机。同步发电机定子一般都经全功率变流器保持输出频率与电网一致。

图8.4 采用同步发电机的风力发电系统

2.恒速恒频发电和变速恒频发电

（1）恒速恒频（Constant Speed Constant Frequency，CSCF）风力发电恒速恒频风电系统是发电机转速恒定、输出频率也恒定的系统，实际上风力发电机转速随风速总有波动，因此恒速恒频风电系统主要使用三相异步发电机，并采用定桨距失速控制。失速是风轮叶片自身的气动特性，当风速达到临界值时，叶片的升力系数减小，阻力系数增加，造成叶片失速，即风速在临界值以下时风轮转速随风速增加而增加，当风速超过临界值后风轮转速将不随风速增加而上升，反而略有下降。失速性能可以使风速达到临界值后，风力机的输出功率仍保持在额定功率附近。图8.2a和图8.3a所示属于恒速恒频风电系统。

由于恒速恒频风电系统是依靠风力机的失速性能，由风力机保持异步发电机的转速，使之在允许的转差范围内运行，因此对风速的适应范围小，风能的利用率不高。为了扩大风能的利用范围，恒速恒频风电系统常采用两台不同转速的异步发电机，或者变极对数发电机，一般是4极和6极发电机，在风速较低时用6极的低速发电机发电，在转速较高时用4极发电机发电，以扩大对风速的利用范围，但是也增加了机舱的体积和重量。

（2）变速恒频（Variable Speed Constant Frequency，VSCF）风力发电虽然恒速恒频风电系统通过风叶设计，在临界风速以上可以使风力机转速变化较小，但如果是同步发电机直接并网，则发电机转速必须是同步转速，如果是异步发电机直接并网，则即使异步发电机转速可以有一定转差，发电机也要求使风力机转速变化被限制在很小范围内，这都使风力机功率输出不能保持在最佳状态，约束了对风能的利用。如果让发电机通过变流器连接电网，则发电机的转速可以根据风力机在不同风速下的最佳输出功率调节，从而达到对风能的最大利用，这是变速恒频风力发电的优点。变速恒频风力发电较恒速恒频风力发电对风能的利用率高，发电机转速可以变化，发电机经变频器输出频率恒定的交流电，适用于各种交流发电机，是现在主流的风力发电系统。

变速恒频风力发电系统中，发电机定子通过变流器连接电网。该变流器将定子全部输出功率传输到电网，因此也称全功率变流器。目前常用的全功率变流器主要有两种结构：

1）不控整流+Boost直流升压+三相逆变器（见图8.5a）：不控整流器将定子输出交流整流为直流，中间Boost升压电路由VT₁控制电容C两端的直流电压，网侧三相逆变器将中间环节直流电转变为与电网同频率的交流电。调节VT₁驱动脉冲宽度可以调节直流电压，控制三相逆变器的输出功率。该方案控制较简单，成本低，可靠性较高。

2）采用双PWM变流器（见图8.5b）：双PWM变流器由两台PWM变流器背靠背连接，发电机侧变流器可以控制发电机的电磁转矩和功率，使发电机在额定风速以下具有最大捕获风能的能力，网侧变流器除逆变外还起保持中间直流电压稳定和控制网侧功率因数的作用。双PWM变流器使用元器件多，成本较高，控制较复杂。两种全功率变流器网侧都连接三相进线电感，用以减小电流的谐波，使输出电流正弦化。现在高电压大功率风力发电的全功率变流器已开始使用多电平变流器。

图8.5 全功率变流器

风力发电机组的组成与构造

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