（2）软并网： 并网瞬间与异步电动机起动相似，存在很大的冲 击电流，应在接近同步转速时并网，并加装可控 硅软起动限流装置；
39
恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机系统的特点
（3）过载能力：发电机的机械特性曲线较硬，允许转子转速变动 范围小，导致风力机的风能转换率偏低 。风速 不稳时，风电机组容易受到冲击机械应力 ；
（2）定子铁心槽内的导体与转子上的 主磁极之间发生相对运动
（3）导体切割磁力线感应出电动势
导体感应电动势的方向可用右手定则判断！
交变频率： f pn1 [Hz] 60
p：磁极的极对数
20
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的基本工作原理 — 产生电磁制动力
（1）载流导体在磁场中受到电磁力 （2）绕组电流受力形成电磁转矩 （3）电磁转矩阻止转子旋转，是一种
0 n1
电 动 机
T2πf1[(R1mR1s2p)U212R(s2X 1X2)2]
发电机状态： 0＜n1＜n ，s＜0
电动机状态：
电磁 －Tm
10
制动
s
T Tm
0＜n＜n1 ，0＜s＜1 软特性 vs. 硬特性
38
恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机系统的特点
（1）无功补偿：发电机励磁消耗无功功率，皆取自电网。应选用较 高功率因数发电机，并在机端并联电容； （由于负荷经常变动，固定电容难以做到完全补偿。 可能出现过补或欠补现象，造成电网电压浮动。可 考虑在变电站加装可控无功补偿装置SVC）
16
风力发电机系统
风力发电机系统的分类：
恒速恒频风力发电机系统
（1）同步发电机系统 （2）笼型异步发电机系统 （3）绕线转子RCC异步发电机系统
变速恒频风力发电机系统
（1）变速恒频鼠笼异步发电机系统（高速） （2）变速恒频双馈异步发电机系统（高速） （3）变速恒频电励磁同步发电机系统（中、低速） （4）变速恒频永磁同步发电机系统（中、低速） （5）变速恒频横向磁通发电机系统（中、低速）
0
if (Ff )
空载特性 E0＝f ( if )
23
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的外特性
U
外特性：同步发电机在n＝nN ，if＝
const，cos＝const的条件下，端电
cos() 0.8 压U和负载电流I 的关系曲线。
UN
cos 1 外特性反映负载性质不同时，端电
cos 0.8
去掉全部负载后，空载电动势为E0 ，
UN
则电压调整率为
U%E0UN100% UN
式中E0和UN同为相值或线值。
0
IN I
25
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的功角特性
PMmE X 0U d sinmU 22X 1qX 1dsin2
励磁电磁功率
磁阻电磁功率 PM
隐极同步发电机，最大电磁功率出现在
用转差率s可以表示异步电机的运行状态!
33
恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机的等值电路
R1 jX1
R2 jX 2
I1 U1
I0 Rm
I2'
jXm E1= E'2
1
s
s
R2
➢一相等值电路 ➢定子漏阻抗、转子漏阻抗（折合）、励磁阻抗 ➢转子可变电阻反映发电机的负载状况
34
恒速恒频笼型异步风力发电机系统
风电机组对发电机系统的基本要求：
（1）将旋转风力机的机械能高效率地转换为电能 转速、转矩、效率、电压、电流、体积、重量
（2）输出的电能质量应满足电力系统的并网要求 频率、有功、无功、波形畸变率、三相不平衡度、 并网冲击、电压跌落跨越
（3）与风力机系统匹配，最大限度发挥风力机的风能转换率 有无齿轮箱（直驱）、变速（MPPT）、变桨（恒功）
风力发电机组
两大核心系统：风力机系统＋ 发电机系统 一个灵魂： 系统控制器
风力机系统：
桨叶 轮毂 主轴 调桨机构（液压或电动伺服机构） 偏航机构（电动伺服机构） 刹车、制动机构 风速传感器
发电机系统：
发电机 励磁调节器（电力电子变换器） 并网开关 软并网装置 无功补偿器 主变压器 转速传感器
13
风力发电机组
笼型异步风力发电机的电磁功率表述
pCu1
R1 I1 U1
P1
jX1
jX 2
I0
Rm
pFe
I2 E1 E2
jXm
PM
定子输出功率：P1m1U1I1cos1
R2 pCu2 铁损耗： pFe m1I02Rm
定、转子铜损耗：
1
s
s
R2
pCu1 m1I12R1 pCu2 m1I22R2
Pm
Pmm1I221ssR2
电磁功率： P M m 1 E 2 I 2 c o s2 m 2 E 2 I 2 c o s2 m 1 I 2 2 R s 2 35
恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机的等值电路
R1 jX1
R2 jX 2
U1
I1
I0 Rm
I2'
jXm E1= E'2
1
s
s
R2
➢一相等值电路 ➢定子漏阻抗、转子漏阻抗（折合）、励磁阻抗 ➢转子可变电阻反映发电机的负载状况
4
双馈异步风力发电机组
5
风力发电机组的结构
直驱永磁同步风力发电机组
7
风力发电机组的基础知识
桨叶的升力与阻力
桨叶的距角
桨叶围绕翼展长度方向的轴 线旋转的角度。显然，桨距角的 变动对桨叶的升力影响很大。
8
风力机风能转换效率特性
• 风轮的功率
P
1 2
AV3Cp
• 风能转换率
Cpf(TS,R )
n1
60 f P
—— 同步转速
31
恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机的工作原理 — 电磁感应
（1）定子三相电流产生旋转磁场，以同步转速n1 旋转 （2）旋转磁场在转子导条中产生感应电动势 e和电流i
（3）i 在磁场中受力f，产生电磁转矩T
（4）若转子以转速n>n1, 向n1的方向旋转， T为制动转矩
30
恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机的工作原理 — 旋转磁场
(1) 向对称三相绕组中通入对称三相交流电流，可形成行波磁场； (2) 如果绕组分布在圆周上，则行波磁场为旋转磁场；
(3) 旋转磁场在一个圆周内，呈现出的磁极（N、S极）数目称为极 数，用2p表示。
(4) 旋转磁场的转向取决于三相电流的相序，转速n1取决于电流的 频率 f 和极对数p：
功角 ＝90处。
凸极同步发电机，最大电磁功率出现在
功角 ＜90处。
0
。
90
180。
26
恒速恒频同步风力发电机系统
同步风力发电机的并网条件
发电机输出的三相交流电压与电网电压应满足四同条件，即：
“同相序、同幅值、同频率、同相位”
同相序：由正确的旋转方向保证 同幅值：由励磁调节器自动保证 同频率：由调速器保证，桨距调节可用作并网调速器 同相位：由调速器微调实现
10
风力发电机组的功率控制
定速发电机
发电机转子转速基 本恒定，例如笼型 转子异步发电机。
变速发电机
发电机转子转速 可在一定范围内变 化。需要变频器保 证馈入电网的电能 频率恒定。
变速发电机有利于小风速下风力机吸收更多的功率。
11
风力机的输出功率
定桨定速 vs.变桨变速风力机输出功率的比较：
12
（软特性发电机的转子损耗较大，发热严重） （4）高效轻载：绝大部分时间处于轻载状态，要求发电机的效率
曲线平坦，在中低负载区效率较高。可考虑在轻 载区，将定子绕组由角接改为星接，降低铁耗。
40
恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型双速异步风力发电机系统的特点
（1）变极双速笼型异步风力发电机方案
在同一台发电机的定子铁心中，埋设两套不同极对数的电 枢绕组（通常为4/6极）。根据需要，可在两套绕组切换，以获 得合适的运行转速。高速绕组角接，低速绕组星接，以降低轻 载运行时的铁心磁密和损耗。
15
风力发电机组
风电机组的分类：
（3）按传动机构分类 升速型：用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机。 直驱型：将低速风力机和低速发电机直接连接。
（4）按发电机分类 异步型：笼型单速异步发电机、笼型双速变极异步 发电机；绕线式异步发电机。 同步型：电励磁同步发电机；永磁同步发电机。
（5）按并网方式分类 并网型：直接或间接并入电网，可省却储能环节。 离网型：需配储能环节，也可与柴发、光伏并联运行。
36
恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机的功率流程图
R1
I1 U1
jX1
jX 2
R2
I0
I 2
Rm
E1 E2
jXm
R2 / s
1
s
s
R2
P1 pCu1
PM pFe
pCu2
Pm
P2
pm+ pa
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恒速恒频笼型异步风力发电机系统
笼型异步风力发电机的机械特性曲线
n
电磁转矩：
发
电
机
Smax
• 叶尖速比
TSRmRV
TSR: Tip Speed Rate
9
风力发电机组的功率控制
定桨距桨叶
桨距角固定，大风 速时，翼型的尾部 气流紊乱，升力不 增反降，称为失速 现象。
变桨距桨叶
桨距角可调，大风