風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電機(jī)劉新正

西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6/6/202414.4.3異步電機(jī)的電勢(shì)平衡方程

異步電機(jī)定子繞組－－接電源，產(chǎn)生氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

變壓器一次繞組－－接電源，產(chǎn)生主磁通異步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組－－閉合回路，感應(yīng)電勢(shì)和電流變壓器二次側(cè)接負(fù)載－－閉合繞組，感應(yīng)電流相異性：

1、變壓器－－靜止異步電機(jī)－－旋轉(zhuǎn)

2、變壓器主磁路－－鐵心異步電機(jī)主磁路－－有氣隙

3、變壓器：一次側(cè)電能傳遞到二次側(cè)異步電機(jī)：定、轉(zhuǎn)子機(jī)電能量轉(zhuǎn)換異步電機(jī)與變壓器的比擬相似性：6/6/20242定子繞組電壓平衡方程為：1、定子電勢(shì)平衡定子繞組接交流電源電源電壓U1與感應(yīng)電勢(shì)及電阻壓降相平衡1）主電勢(shì)（感應(yīng)電勢(shì)）

2）定子漏磁電勢(shì)（漏抗壓降）

3）電阻壓降

定子漏阻抗：6/6/202432、轉(zhuǎn)子繞組電勢(shì)平衡1）轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)的頻率

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步速n1，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n，轉(zhuǎn)差率s磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組的速度Δn轉(zhuǎn)子電勢(shì)的頻率：2）主電勢(shì)（感應(yīng)電勢(shì)）

籠型轉(zhuǎn)子：繞線轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組的相數(shù)和匝數(shù)：由設(shè)計(jì)決定！6/6/20244轉(zhuǎn)子繞組電勢(shì)平衡方程：4）電阻壓降

轉(zhuǎn)子繞組短路（鼠籠型異步電機(jī)、繞線型轉(zhuǎn)子短路情況）轉(zhuǎn)子漏阻抗：3）轉(zhuǎn)子漏磁電勢(shì)（漏抗壓降）

6/6/20245轉(zhuǎn)子邊功率因數(shù)：轉(zhuǎn)子繞組電流：轉(zhuǎn)子靜止時(shí)：注意：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)：3、轉(zhuǎn)子電流電流有效值：6/6/202464.4.4異步電機(jī)的等效電路根據(jù)電勢(shì)平衡方程得出等效電路為得到與變壓器相似的等效電路，需進(jìn)行兩個(gè)折算：

1）頻率折算；2）繞組折算折算后方程轉(zhuǎn)子邊頻率：－－激（勵(lì)）磁阻抗6/6/202474.4.5（籠型）異步電動(dòng)機(jī)的相量圖6/6/202484.4.6（籠型）異步發(fā)電機(jī)的相量圖（電動(dòng)機(jī)慣例）同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)差率（滑差率）發(fā)電機(jī)運(yùn)行－－s<0轉(zhuǎn)子功率因數(shù)向定子送出電功率！！定子功率因數(shù)定子輸出電功率！！從電網(wǎng)吸收滯后性無功功率！6/6/20249轉(zhuǎn)子電流分析轉(zhuǎn)子電流可以寫為為轉(zhuǎn)子有功電流折算值為轉(zhuǎn)子無功電流折算值發(fā)電狀態(tài)時(shí)，s<0，轉(zhuǎn)子有功電流寫為有功電流與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)反相無功電流滯后于轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)90°6/6/2024104.4.7

功率平衡及效率P1>P2，其余為損耗∑p異步電動(dòng)機(jī)輸入電功率P1輸出為軸上機(jī)械功率P21、籠型異步電動(dòng)機(jī)1）輸入功率6/6/2024112）定子銅耗3）鐵耗4）電磁功率PM定子鐵心與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)轉(zhuǎn)速為n1較大轉(zhuǎn)子鐵心與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)轉(zhuǎn)速為sn1較小轉(zhuǎn)子鐵耗可以忽略不計(jì)鐵耗主要為定子鐵耗電磁功率為通過氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子的電功率根據(jù)等效電路，轉(zhuǎn)子邊的總有功功率為6/6/2024125）轉(zhuǎn)子銅耗pcu2及總機(jī)械功率PΩ電磁功率其中：6）機(jī)械損耗pm和附加損耗pΔpΔ=(0.5-3%)PN7）輸出功率6/6/202413∵功率流程圖效率∴6/6/2024142、籠型異步發(fā)電機(jī)s＜0運(yùn)行狀態(tài),90°<φ1<180°cosφ1<0定子功率3U1I1cosφ1＜0異步電機(jī)向電網(wǎng)發(fā)出有功功率－－發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)換成電功率的機(jī)械功率Pmec原動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械功率－－P1機(jī)械損耗－－pm，附加損耗－－pΔ1）功率分析s<0，Pmec<0，異步發(fā)電機(jī)由轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械功率

Pmec減去轉(zhuǎn)子銅耗pCu2－－電磁功率PM

（轉(zhuǎn)子傳遞到定子）6/6/202415

4）效率及功率因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化電磁功率PM減去定子銅耗和鐵耗為向電網(wǎng)輸出的電功率P

23）功率流程2）功率平衡6/6/202416發(fā)電機(jī)方式下，輸入電機(jī)的機(jī)械功率Pin，減去機(jī)械損耗Pmechloss為可用于產(chǎn)生電能的功率在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上可用于轉(zhuǎn)換的機(jī)械功率Pmec為：Pmec＝－（Pin－Pmechloss）

（注意：負(fù)號(hào)與發(fā)出的電功率為負(fù)的慣例相一致）從電的角度來看，這一轉(zhuǎn)換的功率為：發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)差率為負(fù)！！轉(zhuǎn)子中的電損耗和鐵磁損耗使得從轉(zhuǎn)子通過氣隙傳遞到定子的功率減少傳遞的功率Pg為(注意：I2RR’R為轉(zhuǎn)子中的電功率損耗，使得Pg比Pmec負(fù)的程度減小)因而：6/6/202417在定子中損失的功率為：發(fā)電機(jī)端部傳遞的功率（負(fù)的）Pout為：總效率（在發(fā)電機(jī)方式下）ηgen為：6/6/2024184）籠型異步發(fā)電機(jī)功率平衡定子輸出功率：定、轉(zhuǎn)子銅損耗：機(jī)械輸入功率：電磁功率：鐵損耗：6/6/202419籠型異步發(fā)電機(jī)的功率流程圖6/6/2024204.4.8

異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性電磁轉(zhuǎn)矩－－異步電機(jī)一個(gè)非常重要的物理量機(jī)械特性－－電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)差率）變化的規(guī)律－－異步電動(dòng)機(jī)非常重要的特性1、電磁轉(zhuǎn)矩輸入機(jī)械功率上式兩端同時(shí)除以Ω，即則穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程：轉(zhuǎn)換成電功率的機(jī)械功率6/6/202421電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩與本身阻轉(zhuǎn)矩及產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩平衡!!

6/6/2024223）電磁轉(zhuǎn)矩正比于每極主磁通！正比于轉(zhuǎn)子電流的有功分量！電磁轉(zhuǎn)矩的物理本質(zhì)！！6/6/2024234）根據(jù)近似等效電路，轉(zhuǎn)子電流為電磁轉(zhuǎn)矩（1）正比于相電壓的平方（2）與電機(jī)參數(shù)有關(guān)（3）隨轉(zhuǎn)差率變化6/6/202424電磁轉(zhuǎn)矩2、機(jī)械特性

一定的頻率和電壓下，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)差率（轉(zhuǎn)速）變化的規(guī)律，用曲線描述。機(jī)械特性上幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)(3)最大轉(zhuǎn)矩：Tmax，s=sm(1)不同運(yùn)行狀態(tài)區(qū)間(4)同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)：T＝0，s=0(5)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間：

0<|s|<|sm|(2)電機(jī)堵轉(zhuǎn)：n＝0，s=1,f2=f16/6/202425Mmax:pull-outtorquelineartorquefunction

undernormaloperationrange6/6/2024263、機(jī)械特性討論1）最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率令最大轉(zhuǎn)矩：臨界轉(zhuǎn)差率：＋對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)－對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)（1）最大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)；（2）臨界轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻成正比；（3）最大轉(zhuǎn)矩正比于電壓的平方。

最大轉(zhuǎn)矩：機(jī)械特性曲線上轉(zhuǎn)矩的最大值臨界轉(zhuǎn)差率：與最大轉(zhuǎn)矩相對(duì)應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)差率討論：不同轉(zhuǎn)子電阻時(shí)的機(jī)械特性6/6/2024272）電網(wǎng)電壓對(duì)機(jī)械特性的影響頻率不變，電壓減小時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩減小，臨界轉(zhuǎn)差率不變3）改變極數(shù)時(shí)的機(jī)械特性頻率不變，電壓不變，極數(shù)減小時(shí)，同步速增大，最大轉(zhuǎn)矩減小6/6/2024284.4.9

異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)、效率及電流隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律6/6/2024296/6/202430實(shí)際轉(zhuǎn)差率s取:1~3%

s值越大，特性越軟即電流斜率較小但損耗發(fā)熱越嚴(yán)重大發(fā)電機(jī)通常取較小的s值6/6/2024316/6/2024324.4.10

異步電機(jī)在非額定設(shè)計(jì)點(diǎn)的運(yùn)行額定設(shè)計(jì)運(yùn)行點(diǎn)通常是在特定頻率和電壓下的額定功率點(diǎn)有些情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中電機(jī)可能是在非設(shè)計(jì)點(diǎn)運(yùn)行：（1）起動(dòng)過程（2）低于額定功率運(yùn)行（3）變速運(yùn)行（4）存在諧波時(shí)的運(yùn)行通過變流器接入電網(wǎng)，電機(jī)可以變速運(yùn)行變流器協(xié)調(diào)地改變發(fā)電機(jī)端部交流電源的頻率和施加的電壓電壓頻率比（U/f）恒定，性能最佳！相同電壓，不同頻率發(fā)電機(jī)繞組電流電流可能升高，導(dǎo)致?lián)p耗增大，并可能損壞發(fā)電機(jī)繞組！！6/6/2024334.4.11雙速電機(jī)（功率大小不同，兩種不同同步轉(zhuǎn)速）1）兩個(gè)異步電機(jī)，小電機(jī)額定功率約為大電機(jī)額定功率的25％2）單繞組變極異步電機(jī)3）雙繞組異步電機(jī)（例如較小功率為6極，較大功率為4極）雙異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行的切換問題由于風(fēng)能的隨機(jī)性，風(fēng)速的大小經(jīng)常變化驅(qū)動(dòng)異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力機(jī)不可能經(jīng)常在額定風(fēng)速下運(yùn)轉(zhuǎn)通常風(fēng)力機(jī)在低于額定風(fēng)速下運(yùn)行的時(shí)間約占全年運(yùn)行時(shí)間的60％～70％為了充分利用低風(fēng)速時(shí)的風(fēng)能，增加全年的發(fā)電量應(yīng)用雙速異步發(fā)電機(jī)雙速發(fā)電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的效率較單速電機(jī)高，轉(zhuǎn)差損耗小在低風(fēng)速時(shí)能獲得多發(fā)電的良好效果定槳距失速型風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙速異發(fā)電機(jī)均采用4／6極變極同步轉(zhuǎn)速為1500/1000（r／min）低速時(shí)對(duì)應(yīng)于低功率輸出，高速時(shí)對(duì)應(yīng)于高功率輸出6/6/2024344.5并網(wǎng)運(yùn)行的籠型異步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接方式圖1directlycoupled,fixedspeedrotor圖4indirectlycoupled,variablespeedrotor6/6/202435齒輪箱主接觸器主開關(guān)熔斷器變壓器晶閘管裝置風(fēng)力機(jī)控制器(MPU)失速或槳距調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償ASG:

asynchronousgeneratorMPU:

mainprocessingunit直接接入式6/6/2024366/6/202437600kW風(fēng)力機(jī)組風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速－功率圖6/6/202438特點(diǎn):網(wǎng)側(cè)頻率決定轉(zhuǎn)速－－定速

（轉(zhuǎn)差率2%）直接接入電網(wǎng)（晶閘管裝置軟切入）電網(wǎng)電壓勵(lì)磁通過葉片失速或變槳調(diào)節(jié)來控制功率通過滑差率變化調(diào)整負(fù)荷，其輸出的功率與轉(zhuǎn)速近乎成線性關(guān)系

優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要整步過程缺點(diǎn):需無功輸入，補(bǔ)償

對(duì)電網(wǎng)帶來功率沖擊失速無控制功率6/6/202439籠型異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)（1）發(fā)電機(jī)勵(lì)磁消耗無功功率，皆取自電網(wǎng)。應(yīng)選用較高功率因數(shù)發(fā)電機(jī)，并在機(jī)端并聯(lián)電容；（2）絕大部分時(shí)間處于輕載狀態(tài)，要求在中低負(fù)載區(qū)效率較高，希望發(fā)電機(jī)的效率曲線平坦；（3）風(fēng)速不穩(wěn)，易受沖擊機(jī)械應(yīng)力，希望發(fā)電機(jī)有較軟的機(jī)械特性曲線，sm絕對(duì)值要大；（4）并網(wǎng)瞬間與電動(dòng)機(jī)起動(dòng)相似，存在很大的沖擊電流，應(yīng)在接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)并網(wǎng)，并加裝軟起動(dòng)限流裝置。6/6/202440Danishconcept–schema（雙速電機(jī)）note:smallerturbines<100kWusedbeltdrives6/6/202441Danishconcept–loadcurvewithtwoinductiongeneratorsfromsmalltolargegeneratorfromlargetosmallgenerator6/6/202442變速風(fēng)力機(jī)組齒輪箱

主開關(guān)熔斷器變壓器電容器風(fēng)力機(jī)控制器(MPU)失速或變槳調(diào)節(jié)ASG:

asynchronousgeneratorMPU:

mainprocessingunit濾波器整流器

逆變器ASG

6/6/202443power–rotorspeedcurve=alwaysinaerodynamicoptimumPower–rotorspeedcurve

ofwindturbinewithvariablespeedrotor6/6/202444異步電機(jī)變速風(fēng)力機(jī)組（variablespeedrotor）變流器(PowerConvertor)需要按全功率設(shè)置

（1p.u.totalsystempower）逆變輸出濾波器按全功率配置，設(shè)計(jì)困難，價(jià)格高系統(tǒng)總效率受變流器效率影響很大變速風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤6/6/202445失速調(diào)節(jié)型與變速恒頻的對(duì)比失速調(diào)節(jié)型風(fēng)速波動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩波動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)（齒輪）有大的機(jī)械應(yīng)力變速運(yùn)行風(fēng)速波動(dòng)轉(zhuǎn)換成風(fēng)力機(jī)