【正文】 圖 36 直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁 （ 2）靜止整流器勵(lì)磁 同一軸上有三臺(tái)交流發(fā)電機(jī)，即主發(fā)電機(jī)、交流主勵(lì)磁機(jī)和交流副勵(lì)磁機(jī)。 圖 215 給出了有功功率不變而空載電勢(shì)變化時(shí)，隱極發(fā)電機(jī)的電勢(shì)相量圖， 0E? 和aI? 的矢端必須落在直線 AB 和 CD 上。 應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流不變時(shí)， ? 的變化也將引起無功功率的變化。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 16 可見要改變發(fā)電機(jī)輸送給電網(wǎng)的有功功率，就必須改變?cè)瓌?dòng)機(jī)提供的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，這一改變可以通過調(diào)節(jié)水輪機(jī)的進(jìn)水量或汽輪機(jī)的汽門來達(dá)到。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)， U? 為電網(wǎng)電壓，其大小和頻率不變，對(duì)應(yīng)的合成磁勢(shì) F? 總是以同步速度旋轉(zhuǎn)，因此功角的大小只能由轉(zhuǎn)子磁勢(shì) fF? 的角速度決定。如果是負(fù)載運(yùn)行，定子繞組中還存在定子銅耗 1Cup ， 12 CuM pPP ?? 就是發(fā)電機(jī)的輸出功率。后，磁通再依次切割 B 相導(dǎo)體和 C 相導(dǎo)體。 同步發(fā)電機(jī)的工作原理 同步發(fā)電機(jī)中靜止的部分稱為定子，旋轉(zhuǎn)的部分稱為轉(zhuǎn)子。 850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 13 3 同步發(fā)電機(jī)和逆變器 同步發(fā)電機(jī) [10] 同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 同步發(fā)電機(jī)和其它類型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，由固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。大發(fā)電機(jī)向小發(fā)電機(jī)的切換當(dāng)發(fā)電機(jī)功率持續(xù)l0min 內(nèi)低于預(yù)置值 P3 時(shí)，或 10min 內(nèi)平均功率低于預(yù)置值 P4 時(shí)，將執(zhí)行大發(fā)電機(jī)向陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 12 小發(fā)電機(jī)的 切換。低風(fēng)速時(shí)，小發(fā)電機(jī)工作，高風(fēng)速時(shí)，大發(fā)電機(jī)工作。 RCC 控制必須在線繞式異步發(fā)電機(jī)上使用，通過電力電子裝置，控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流，使普通異步發(fā)電機(jī)成為可變滑差發(fā)電機(jī)。在此期間，晶閘管仍然完全導(dǎo)通，收到旁路反饋信號(hào)后，停止觸發(fā)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入正常運(yùn)行。 ， 75176。 并網(wǎng)過程中，電流一般被限制在大發(fā)電機(jī)額定電流以下，如超出額定電流時(shí)間持續(xù)，可以斷定晶閘管故障，需要安全停機(jī)。由于風(fēng)能與風(fēng)速的三 次方成正比，當(dāng)風(fēng)速在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，如果允許風(fēng)車做變速運(yùn)動(dòng)，則能達(dá)到更好利用風(fēng)能的目的。為了避免小風(fēng)速時(shí)發(fā)生頻繁開、停機(jī)現(xiàn)象，并網(wǎng)后 10min 內(nèi)風(fēng)電機(jī)組不能按風(fēng)速自動(dòng)停機(jī)。 （ 4） 大風(fēng)脫網(wǎng)控制 ： 當(dāng)風(fēng)速 10min 平均值 大于 25m/s 時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組會(huì)出現(xiàn)超速和過載，為使機(jī)組安全，這時(shí)必須對(duì)機(jī)組進(jìn)行大風(fēng)脫網(wǎng)停機(jī)。具體形式的控制過程如下： （ 1） 開機(jī)并網(wǎng)控制 ： 當(dāng)風(fēng)速 10min 平均值在系統(tǒng)工作區(qū)域內(nèi)，機(jī)械閘松開葉尖復(fù)位，風(fēng)力作用于風(fēng)輪上，發(fā)電機(jī)慢慢起動(dòng)。 我國風(fēng)電場運(yùn)行的機(jī)組部分為定漿距失速型機(jī)組，所謂失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就是當(dāng)風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定風(fēng)速時(shí)，為確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率輸出不再增加，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)過載，通過空氣動(dòng)力學(xué)的失速特性，使葉片發(fā)生失速從而控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率輸出。其二是提供必要的鎖緊力矩，以保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的偏航裝置 偏航裝置一般由偏航軸承、偏航驅(qū)動(dòng)裝置、偏航制動(dòng)器、偏航計(jì)數(shù)器、偏航液壓回850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 7 路和紐纜保護(hù)裝置等幾個(gè)部分組成。這種同步發(fā)電機(jī)的磁極上繞有 勵(lì)磁繞組，而產(chǎn)生發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 6 轉(zhuǎn)磁場的勵(lì)磁電流經(jīng)電刷和滑環(huán)引入勵(lì)磁繞組。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片受到離心力和氣動(dòng)力的作用，當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，需對(duì)風(fēng)輪進(jìn)行控制。因此，近幾年來，我國的風(fēng)力 發(fā)電 事業(yè)得到了很快的發(fā)展。 大型風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電是世界風(fēng)能利用的主要形式，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功能是將風(fēng)中的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，輸送到電網(wǎng)中。 當(dāng)前我國建設(shè)風(fēng)力發(fā)電場的主要投資是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備，占總投資的 80%以上。 850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 3 控 制 系 統(tǒng)油 泵風(fēng) 速測 量馬 達(dá)變 速 機(jī) 構(gòu)發(fā) 電 機(jī)油 泵 油 泵 油 泵變 壓 器 電 網(wǎng)勵(lì) 磁變 槳 機(jī) 構(gòu)圖 11 新型風(fēng)力發(fā)電的原理圖 我國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 [1] 目前我國的風(fēng)電事業(yè)發(fā)展較快，無論技術(shù)還是產(chǎn)業(yè)均取得長足進(jìn)步，全國風(fēng)電裝機(jī)到 2021 年底為 萬 kW, 2021 年為 萬 kW, 2021 年底達(dá)到了 萬 kW。并監(jiān)視齒輪箱、發(fā)電機(jī)的運(yùn)行溫度，液壓系統(tǒng)的油壓，對(duì)出現(xiàn)的任何異常進(jìn)行報(bào)警，必要時(shí)自動(dòng)停機(jī)。液壓系統(tǒng)就是用于調(diào)節(jié)葉片槳矩、阻尼、停機(jī)、剎車等狀態(tài)下使用。同時(shí)也使得發(fā)電機(jī)易于控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出。 另一方面，風(fēng)力發(fā)電在整個(gè)能源供應(yīng) 體系中之所以長期處于從屬地位，是由于其自身固有的缺點(diǎn)造成的：可靠性低，成本偏高，與水火電相比沒有競爭力。19801981 年間， 55kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研制成功是現(xiàn)代風(fēng)機(jī)制造技術(shù)的重大突破，隨著這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出現(xiàn)，單位千瓦時(shí)的風(fēng)力發(fā)電成本大約下降了 50%，在美國加利福尼亞 Palm Springs 安裝了上千臺(tái)這樣的風(fēng)機(jī)，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)逐步壯大。 I 850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 摘 要 風(fēng)力發(fā)電是一種可再生的清潔能源，也是新能源 發(fā)電 技術(shù)中最成熟和最具規(guī)模開發(fā)條件的 發(fā)電 方式之一， 在遠(yuǎn)期有可能成為世界重要的替代能源。目前，風(fēng)電場運(yùn)行的主力機(jī)型是 600kW 和 750kW 級(jí)的機(jī)組， 兆瓦級(jí)和幾個(gè)兆瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也已研制成功。這種局面的出現(xiàn)既有風(fēng)機(jī)制造技術(shù)水平的原因，也有運(yùn)行管理上的原因。偏航系統(tǒng)可以使風(fēng)輪掃掠面積總是垂直于主風(fēng)向。 控制系統(tǒng)是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的神經(jīng)中樞。 風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日趨成熟，市場規(guī)模不斷擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電的成本效益也逐漸改善。19971998 年，我國風(fēng)電場投產(chǎn) 209 臺(tái)機(jī)組，合計(jì)容量 114200kW 全部為進(jìn)口，設(shè)備價(jià)格高，風(fēng)電場單位 kW 造價(jià)約 80009000 元，其中機(jī)組占投資的 7580%，只有逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，才能把風(fēng)電場造價(jià)和運(yùn)行成本降下來。對(duì)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本要求是在當(dāng)?shù)仫L(fēng)況、氣候、和電網(wǎng)條件下能夠長期安全 運(yùn)行，取得最大的年發(fā)電量和最低的成本。本課題以目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中較普遍使用的 MW 級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，主要研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的單機(jī)并網(wǎng)方案和風(fēng)電場集中并網(wǎng)方案。 塔架用 來將風(fēng)輪支撐起來，它主要承受兩個(gè)載荷 :一個(gè)是風(fēng)力機(jī)的重力，向下壓在塔架上；另一個(gè)是阻力，使塔架向風(fēng)的下游方向彎曲；大型風(fēng)力機(jī)的塔架基本上是錐形圓柱鋼塔架。由此可知，旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機(jī)的磁場所需勵(lì)磁電壓較低，勵(lì)磁電流也比較小，因此集電環(huán)和電刷的工作較為可靠且壽命很長，現(xiàn)在大多數(shù)交流同步發(fā)電機(jī)均采用這種方式。其中，解纜和紐纜是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的主要功能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航裝置一般分為主動(dòng)偏航裝置和被動(dòng)偏航裝置。所以，定漿距失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的控制原則是功率控制由葉片的失速特性來完成。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于 20%的 額定轉(zhuǎn)速持續(xù) 5min，發(fā)電機(jī)進(jìn)入軟并網(wǎng)拖動(dòng)狀態(tài)。機(jī)組先起動(dòng)氣動(dòng)剎車，同時(shí)偏航 90176。同樣，在小風(fēng)速自動(dòng)脫網(wǎng)停機(jī)后， 5min 內(nèi)不能軟切并網(wǎng)。風(fēng)車將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的效率可用輸出功率系數(shù) C 來表示， C 在某一確定的風(fēng)輪周速比 k(槳葉尖速度與風(fēng)速之比 )下達(dá)到最大值。由于并網(wǎng)過程是在轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速附近進(jìn)行的，這時(shí)轉(zhuǎn)差不大，沖擊電流較小，主要是勵(lì)磁涌流的存在，持續(xù) 3040ms。 90176。 變速恒頻風(fēng)電機(jī)組控制 [5] 在風(fēng)力發(fā)電過程中，讓風(fēng)車的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化，再通過其它控制方式來得到恒頻電能的方法，被稱之為變速恒頻。 RCC 控制是一種快速電氣控制方式，用于克服風(fēng)速的快速變化。小發(fā)電機(jī)為 6 極繞組，同步轉(zhuǎn)速為 1000r/min，大發(fā)電機(jī)為 4 極繞組，同步轉(zhuǎn)速 1500r/min 小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)切換的控制，一般以平均功率或瞬時(shí)功率參數(shù)為預(yù)置切換點(diǎn)。首先斷開大發(fā)電機(jī)接觸器，再斷開旁路接觸器。一般分為轉(zhuǎn)場式同步電機(jī)和轉(zhuǎn)樞式同步電機(jī)。在一般同步發(fā)電機(jī)中，旋轉(zhuǎn)的部分是磁極，以恒定不變的轉(zhuǎn)速在旋轉(zhuǎn)。因此，A 相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)便超前 B 相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 120176。同步發(fā)電機(jī)的功率平衡方程式為 (31) 定子繞組的電阻一般較小 ，其銅耗可以忽略不計(jì)，則有 (32) 圖 32 同步發(fā)電機(jī)功率流程圖 （ 2）功角的概念 ? 為內(nèi)功率因數(shù)角， ??? ?? 定義為功角。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)， fF? 和 F? 之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)， ? 具有固定的值。 當(dāng)功角處于 0 到 m? 范圍內(nèi)時(shí)，隨著 ? 的增大， MP 亦增大，同步發(fā)電機(jī)在這一區(qū)間能夠穩(wěn)定運(yùn)行。無功功率隨著有功功 率的增加而減少，甚至可能導(dǎo)致無功功率改變符號(hào)，這是應(yīng)當(dāng)避免的。 a） 如果在某一勵(lì)磁電流 fI 時(shí)， aI? 正好與 U? 平行，此時(shí)無功功率為零 ,發(fā)電機(jī) 輸出的全部是有功功率，發(fā)電機(jī)正常勵(lì)磁。副勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流開始時(shí)由外部直流電源提供，待電壓建立起來后再轉(zhuǎn)為自勵(lì) (有時(shí)采用永磁發(fā)電機(jī) )。這些缺點(diǎn)可以通過多機(jī)并聯(lián)來改善。 同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式 同步發(fā)電機(jī)應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電上有兩種機(jī)械聯(lián)結(jié)方式，一種是通過變速齒輪箱，做成高速同步發(fā)電機(jī)。由于同步發(fā)電機(jī)在投入電網(wǎng)時(shí)未加勵(lì)磁，因此不存在準(zhǔn)同步并網(wǎng)時(shí)的對(duì)發(fā)電機(jī)電壓和相角進(jìn)行調(diào)節(jié) 和校準(zhǔn)的整步過程，并且從根本上排除了發(fā)生非同步合閘的可能性。這樣，就把直流電變成了交流電，改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變交流電的頻率。 2S 、 3S 斷開， 1S 、 4S 閉合時(shí)的情況類似。用三個(gè)單向逆變電路可以組成一個(gè)三相逆變電路。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行的，因此也被稱為縱向換流。VNu、39。39。NNu，則負(fù)載各相的相電壓分別為 (38) 把上面各式相加并整理可求得： ? ? ? ?WNVNUNWNVNUNNN uuuuuuu ?????? 3131 39。 31 WNVNUNNN uuuu ??? (310) 39。39。 ?NNu時(shí)為橋 臂 1 導(dǎo)電的區(qū)間，其中 0U?i 時(shí)為 1VD 導(dǎo)通， 0U?i 時(shí)為 1V 導(dǎo)通； 039。 U、 V和 W 三相的 PWM 控制通常公用一個(gè)三角載波 cu ，三相的調(diào)制信號(hào) rUu 、 rVu 和 rWu 依次相差 120176。 V相和 W 相的控制方式都和 U相相同。UNu、39。但實(shí)際上為了防止上下兩個(gè)臂直通而造成短路，在上下兩臂通斷切換時(shí)要留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū) 時(shí)間。因此，對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求，除了能夠穩(wěn)定可靠地并網(wǎng)運(yùn)行之外，最重要的一點(diǎn)就是要實(shí)現(xiàn)最大功率輸出控制。 850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 27 同步發(fā)電機(jī)的參數(shù) 型號(hào)：同步、 4 極、 6 相，帶勵(lì)磁裝置 系統(tǒng)：并網(wǎng)型，帶 IGBT 變頻器 功率： 850kW （ n = 1700 RPM.） 電壓： 690～ 730V 電流： 340A～ 390A 頻率： ～ Hz 轉(zhuǎn)速： 1040～ 2021 RPM. 功率因數(shù)： ?cos =～ 防護(hù)等級(jí)： IP 54 絕緣等級(jí)： F/H 環(huán)境溫度： 40℃ ～ 40℃ 冷卻：水冷 水冷系統(tǒng)：軸承壽命： 130000 小時(shí)； 測溫： 8PT100（ 6繞組線圈， 2軸承） 同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)： （ a） 功率因數(shù)可以很容易地通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置予以調(diào)整，既可以在滯后的功率因數(shù)下運(yùn)行，也可以在超前的功率因數(shù)下運(yùn)行。 （ e） 除定子外，勵(lì)磁繞組及勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置需要維護(hù)。否則，會(huì)對(duì)公共電網(wǎng)帶來危害。 （ c） 單獨(dú)運(yùn)行時(shí)可以很方便地調(diào)節(jié)電壓。由于風(fēng)能具有不穩(wěn)定性和隨機(jī)性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能是電壓、頻率隨機(jī)變化的交流電，必須采取有效的電力變換措施后才能夠?qū)L(fēng)電送入電網(wǎng)。這個(gè)死區(qū)時(shí)間將會(huì)給輸出的 PWM 波形帶來一定影響，使其稍稍偏離正弦波。WNu的 PWM 波形都只有 2dU?兩種電平。 0 0000000u VN 39。當(dāng) crU uu ? 時(shí)，給上橋臂 1V 以導(dǎo)通信號(hào)，給下橋臂 4V 以關(guān)斷信號(hào)，則 U相相對(duì)于直流電源假想中點(diǎn) ‘N 的輸出電壓為 2u39。 Vi 、 Wi 的波形和 Ui 形狀相同，相位依次相差120176。 負(fù)載參數(shù)已知時(shí)，可以由 UNu 的波形求出 U相電流 Ui 的波形。UNu頻率的 3 倍，幅值為其 1/3，即為 6dU 。39。39。UNu相同，只是相位依次差 120176。N?? U V W 圖 312 三相電壓型逆變電路 下面來分析電壓型三相橋式逆變電路的工作波形。 圖 312 電路的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容器就可以了，但為了分析方便，畫作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出了假想中點(diǎn) ‘N 。直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。 850kW 風(fēng)力發(fā)電供配電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 21 4S3S1S2