1、风力发电机组原理与应用第一章绪论第一节风第二节风力发电机组第三节大型风力发电机组的典型结构第一节风一、风的形成1.大气环流图1-1三圈环流示意图第一节风2.季风环流图1-2季风的地理分布第一节风形成季风环流的因素(1)海陆分布对我国季风的作用海洋的热容量比陆地大得多，冬季陆地比海洋冷，大陆气压高于海洋，气压梯度力自大陆指向海洋，风从大陆吹向海洋；夏季则相反，陆地很快变暖，海洋相对较冷，陆地气压低于海洋气压，气压梯度力由海洋指向大陆，风从海洋吹向大陆，如图1-3所示。图1-3海陆热力差异引起的季风示意图a)冬季b)夏季第一节风(2)行星风带位置季节转换对我国季风的作用地球上存在着5个风带。(3)
2、青藏高原对我国季风的作用青藏高原占我国陆地的1/4，平均海拔在4000m以上，对应于周围地区具有热力作用。3.局地环流(1)海陆风海陆风的形成与季风相同，也是由大陆与海洋之间的温度差异的转变引起的。图1-4海陆风形成示意图a)夜间b)白天第一节风图1-5山谷风形成示意图a)白天b)夜间(2)山谷风山谷风的形成原理跟海陆风是类似的。第一节风二、风力等级1.风级的划分（见表1-1）2.风速与风级的关系第一节风表1-1蒲福(Beaufort)风力等级表第一节风表1-1蒲福(Beaufort)风力等级表第一节风表1-1蒲福(Beaufort)风力等级表第一节风三、风的测量1.测风系统2.风向测量(1)
3、风向标风向标是测量风向的最通用的装置，有单翼型、双翼型和流线型等。图1-6标式风向传感器第一节风(2)风向表示风向一般用16个方位表示，即北东北(NNE)、东北(NE)、东东北(ENE)、东(E)、东东南(ESE)、东南(SE)、南东南(SSE)、南(S)、南西南(SSW)、西南(SW)、西西南(WSW)、西(W)、西西北(WNW)、西北(NW)、北西北(NNW)、北(N)。图1-7风向16方位图第一节风图1-8旋转杯形风速计1)旋转式风速计：它的感应部分是一个固定在转轴上的感应风的3.风速测量(1)风速计第一节风组件，常用的有风杯和螺旋桨叶片两种类型。2)压力式风速仪：它是利用风的压力测定风
4、速的仪器，通过流体的全压力与静压力之差来测定风速的大小。3)散热式风速计：一个被加热物体的散热速率与周围空气的流速有关，利用这种特性可以测量风速。图1-9超声波风速计第一节风4)声学风速计：又称超声波风速计(见图1-9)，是利用声波在大气中传播速度与风速间的函数关系来测量风速。(2)风速记录1)机械式：当风速感应器旋转时，通过蜗杆带动蜗轮转动，再通过齿轮系统带动指针旋转，从刻度盘上直接读出风的行程，除以时间得到平均风速；2)电接式：由风杯驱动的蜗杆，通过齿轮系统连接到一个偏心凸轮上，风杯旋转一定圈数，凸轮使相当于开关作用的两个接点闭合或打开，完成一次接触，表示一定的风程；3)电机式：风速感应器
5、驱动一个小型发电机中的转子，输出与风速感应器转速成正比的交变电流，输送到风速的指示系统；第一节风4)光电式：风速旋转轴上装有一圆盘，盘上有等距的孔，孔上面有一红外光源，正下方有一光电半导体，风杯带动圆盘旋转时，由于孔的不连续性，形成光脉冲信号，经光电半导体器件接收放大后变成电脉冲信号输出，每一个脉冲信号表示一定的风行程。四、风的数学描述1.风廓线图1-10不同粗糙度长度的风廓线第一节风表1-2不同地表的粗糙度和值第一节风2.风频特性(1)风向频率在一定时间内各种风向出现的次数占所观测总次数的百分比，叫风向频率。(2)风速频率风速频率反映风的重复性，指在一个月或一年的周期中发生相同风速的时数占这
6、段时间刮风总时数的百分比。(3)风玫瑰图图1-11风玫瑰图a)风向玫瑰图b)风能玫瑰图第一节风1)盛行风向：指根据当地多年观测资料绘制的年风向玫瑰图中，风向频率较大方向。2)风向旋转方向：指风向随着季节旋转。3)最小风向频率：指两个盛行风向对应轴大致垂直两侧风向频率最小的方向。3.风速频率的统计特性图1-12威布尔分布双参数曲线第一节风1)根据风的累积频率估计2)根据平均风速和样本标准差sv估计由式(1-10)和式(1-11)可得4.风功率及风功率密度(1)风功率及风功率密度定义风功率是指单位时间内，以速度v垂直流过截面A的气流所具有的动能。(2)平均风功率密度衡量某一地区风能大小，要视常年平
7、均风能的多少而定。(3)有效风速和有效风功率密度风力机械要根据当地的风况确定一个额定风速,它与额定功率相对应。(4)风能可利用时间在风速概率分布确定以后，还可以计算风能的可利用时间。5.湍流第一节风6.空气密度表1-3海平面空气密度表五、风能可利用区的划分第一节风1)风资源丰富区：年有效风功率密度大于200W/m2，320m/s风速的年累积小时数大于5000h，年平均风速大于6m/s；2)风资源次丰富区：年有效风功率密度为200150W/m2，320m/s风速的年累积小时数为50004000h，年平均风速在5.5m/s左右；3)风资源可利用区：年有效风功率密度为150100W/m2，320m/
8、s风速的年累积小时数为40002000h，年平均风速在5m/s左右；4)风资源贫乏区：年有效风功率密度小于100W/m2，320m/s风速的年累积小时数小于2000h，年平均风速小于4.5m/s；第二节风力发电机组一、风力发电机组的工作原理图1-13风电机组的工作原理第二节风力发电机组1.能量流2.信息流图1-14风电机组的外观第二节风力发电机组二、风力发电机组的构成和分类1.风力发电机组的构成图1-15风力发电机组内部结构第二节风力发电机组(1)变桨距系统设在轮毂之中。(2)发电系统包括发电机、变流器等。(3)主传动系统包括主轴及主轴承、齿轮箱、高速轴和联轴器等。(4)偏航系统由电动机、减速
9、器、变距轴承、制动机构等组成。(5)控制系统包括传感器、电气设备、计算机控制系统和相应软件。2.风力发电机组的主要参数3.风力发电机组的分类第二节风力发电机组表1-5风力发电机组机型分类(1)按装机容量分1)微型：0.11kW；2)小型：1100kW；3)中型：1001000kW；第二节风力发电机组4)大型：1000kW以上。(2)按风轮轴方向分1)水平轴机组：水平轴机组是风轮轴基本上平行于风向的风力发电机组。图1-16垂直轴机组第二节风力发电机组2)垂直轴机组：垂直轴机组是风轮轴垂直于风向的风力发电机组。(3)按功率调节方式分1)定桨距机组：叶片固定安装在轮毂上，角度不能改变，风力机的功率调
10、节完全依靠叶片的气动特性。2)普通变桨距型(正变距)机组：这种机组当风速过高时，通过改变桨距角(在指定的径向位置叶片几何弦线与风轮旋转面间的夹角)，使功率输出保持稳定。3)主动失速型(负变距)机组：这种机组的工作原理是以上两种形式的组合。(4)按传动形式分第二节风力发电机组1)高传动比齿轮箱型：风力发电机组中的齿轮箱的主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。2)直接驱动型：应用多极同步发电机可以去掉风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力机直接拖动发电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。3)中传动比齿轮箱
11、型(“半直驱”)：这种机组的工作原理是以上两种形式的综合。(5)按转速变化分第二节风力发电机组1)定速(又称恒速)：定速风力发电机组是指其发电机的转速是恒定不变的，它不随风速的变化而变化，始终在一个恒定不变的转速下运行。2)多态定速：多态定速风力发电机组中包含着两台或多台发电机，根据风速的变化，可以有不同大小和数量的发电机投入运行。3)变速：变速风力发电机组中的发电机工作在转速随风速时刻变化的状态下。第三节大型风力发电机组的典型结构一、双馈式风力发电机组二、直驱式永磁风力发电机组图1-17直接驱动式风力发电机组结构1叶片2轮毂3变桨距系统4发电机转子5发电机定子6偏航系统7测风系统8底板9塔架
12、第三节大型风力发电机组的典型结构三、中传动比齿轮箱型(“半直驱”)机组图1-18中传动比齿轮箱型(“半直驱”)机组第二章风力机第一节风力机动力学模型第二节风力机的结构第三节叶片的空气动力特性第四节风轮的空气动力特性第一节风力机动力学模型一、贝兹极限假定：1)风轮可以简化成一个平面桨盘，没有轮毂，而叶片数无穷多，这个平面桨盘被称为致动盘。2)风轮叶片旋转时不受摩擦阻力，是一个不产生损耗的能量转换器。3)风轮前、风轮扫掠面、风轮后气流都是均匀的定常流，气流流动模型可简化成图2-1所示的流束。4)风轮前未受扰动的气流静压和风轮后远方的气流静压相等。5)作用在风轮上的推力是均匀的。6)不考虑风轮后的尾
13、流旋转。第一节风力机动力学模型图2-1流经致动盘的流束第一节风力机动力学模型图2-2、随a的变化曲线第一节风力机动力学模型图2-3空气微粒经过风轮圆盘的运动轨迹二、旋转尾流模型第一节风力机动力学模型图2-4气流切向速度在通过圆盘的变化第二节风力机的结构一、叶片的构造二、定桨距叶片叶柄结构1.螺纹件预埋式2.钻孔组装式三、叶片数第二节风力机的结构图2-5风轮叶片的结构a)木材、环氧全壳结构b)前半壳用木材、环氧结构c)前部蒙皮并连接剪切腹板的玻璃纤维结构d)在芯轴上以横向丝带缠绕的盒形梁玻璃纤维结构第二节风力机的结构图2-6定桨距叶片第二节风力机的结构图2-7螺纹件预埋式叶柄图2-8钻孔组装式叶
14、柄第二节风力机的结构图2-9两叶片和三叶片风力机曲线比较第二节风力机的结构四、轮毂1.固定式轮毂图2-10固定式轮毂a)球形b)三圆柱形第二节风力机的结构2.铰链式轮毂图2-11铰链式轮毂a)挥向b)挥向与摆向第三节叶片的空气动力特性一、叶片的基本几何定义(1)叶尖水平轴和斜轴风力机的叶片上距离风轮回转轴线的最远点。(2)叶片投影面积叶片在风轮扫掠面上的投影的面积。(3)叶片翼型翼型也叫叶片剖面，它是指用垂直于叶片长度方向的平面去截叶片而得到的截面形状。图2-12叶片翼型的几何特征第三节叶片的空气动力特性1)中弧线：翼型表面内切圆圆心光滑连接起来的曲线(图2-12中的虚线)。2)前缘：翼型中弧
15、线的最前点(A点)。3)后缘：翼型中弧线的最后点(B点)。4)几何弦：连接前缘与后缘的直线。5)平均几何弦长：叶片投影面积与叶片长度的比值。6)气动弦线：通过后缘的直线，如果合成气流方向与其平行则升力为零。7)厚度：几何弦上各点垂直于几何弦的直线被翼型周线所截取的长度，用表示。8)相对厚度：厚度的最大值与几何弦长的比值(=max/c)。9)弯度：中弧线到几何弦的距离。第三节叶片的空气动力特性(4)叶片安装角叶根确定位置处翼型几何弦与叶片旋转平面的夹角。(5)叶片扭角叶片尖部几何弦与根部几何弦夹角的绝对值，如图2-13所示。图2-13叶片扭角第三节叶片的空气动力特性(6)叶片几何攻角翼型上合成气
16、流方向与翼型几何弦的夹角，简称攻角，用表示。二、作用在叶片上的空气动力图2-14作用于翼型上的空气动力a)翼型与大气的相对运动b)空气动力第三节叶片的空气动力特性图2-15、与的关系第三节叶片的空气动力特性图2-16叶片的失速a)小攻角b)大攻角(失速)第三节叶片的空气动力特性图2-17与的关系第四节风轮的空气动力特性一、风轮的几何定义与参数图2-18风轮的几何定义1)风轮直径：叶尖旋转圆的直径，用D表示。第四节风轮的空气动力特性2)风轮扫掠面积：风轮旋转时，叶片的回转面积。3)风轮偏角：风轮轴线与气流方向的夹角在水平面的投影。4)风轮额定转速：输出额定功率时,风轮的转速。5)风轮最高转速：风
17、力机处于正常状态下(空载或负载)，风轮允许的最大转速值。图2-19锥角与仰角第四节风轮的空气动力特性6)风轮实度：风轮叶片投影面积的总和与风轮扫掠面积的比值。7)叶尖速比：叶尖切向速度与风轮前的风速之比，用表示。8)桨距角：在指定的径向位置叶片几何弦线与风轮旋转面间的夹角。9)风轮锥角：风轮锥角是叶片与旋转轴垂直平面的夹角。10)风轮仰角：风轮仰角是风轮旋转轴与水平面的夹角。二、作用在风轮上的空气动力图2-20叶素扫出的圆环第四节风轮的空气动力特性图2-21叶素上的速度和作用力a)速度b)作用力第三章发 电 系 统第一节发电系统的构成第二节变流器第三节异步发电机及其并网第四节同步发电机及其并网
18、第五节双馈异步发电机发电系统第六节永磁同步发电机发电系统第一节发电系统的构成一、发电系统的总体结构图3-1双馈发电机发电系统简图第一节发电系统的构成二、变压器1.变压器的工作原理图3-2变压器工作原理2.变压器的分类及结构第一节发电系统的构成图3-3变压器的构造a)心式b)壳式第一节发电系统的构成图3-4干式变压器第一节发电系统的构成三、开关电器1.开关电器的分类1)低压刀开关、接触器、高压负荷开关等开关电器用于在正常工作情况下开断或闭合正常工作电流。2)熔断器，用于开断过负荷电流或短路电流。3)高压隔离开关，只用于检修时隔离电源。4)自动分断器，用于在预定的记忆时间内根据选定的计数次数在无电
19、流的瞬间自动分断故障电路。5)高压断路器、低压空气断路器等开关电器，既用于开断或闭合正常工作电流，也用于开断或闭合过负荷电流或短路电流。2.真空断路器第一节发电系统的构成图3-5玻璃外壳真空灭弧室的结构1动触杆2波纹管3外壳4动触头5屏蔽罩6静触头(1)真空灭弧室真空灭弧室是真空断路器的核心部分，外壳大多采用玻璃和陶瓷材料，如图3-5所示。第一节发电系统的构成图3-6螺旋式叶片触头a)纵向剖面图b)动触头顶视图c)电流线与磁场第一节发电系统的构成(2)断路器的结构图3-7为ZN28-10型真空断路器的结构图。图3-7ZN28-10型真空断路器结构图1操动机构2分闸弹簧3油缓冲器4框架5触头弹簧
20、6操作绝缘子7上支架8真空灭弧室9绝缘杆10下支架11绝缘子12轮13面板14计数器第一节发电系统的构成3.交流接触器图3-8交流接触器的主要结构图第一节发电系统的构成4.熔断器图3-9熔断器a)管式熔断器b)插式熔断器c)螺旋式熔断器第一节发电系统的构成四、继电器1.热继电器图3-10热继电器的原理图1热元件2双金属片3扣板4弹簧5常闭触头6复位按钮第一节发电系统的构成2.中间继电器五、母线与电缆1.母线(1)母线材料1)铜母线：具有电阻率低、机械强度高、抗腐蚀性强等特点，是很好的导电材料。2)铝母线：铝的电阻率稍高于铜，但储量多，重量轻，加工方便，且价格便宜。3)钢母线：钢的电阻率比铜大7
21、倍多，用于交流时，有很强的趋肤效应。(2)母线的截面形状第一节发电系统的构成图3-11槽形母线及其焊接片第一节发电系统的构成2.电力电缆1)电力电缆的种类：电力电缆种类很多。按电压的高低可分为高压电缆和低压电缆。按使用环境可分为直埋、穿管、河底、矿井、船用、空气中、高海拔、潮热区、大高差等。按线芯数分为单芯、双芯、三芯和四芯等。按结构特征可分为统包型、分相型、钢管型、扁平型、自容型等。按绝缘材料可分为油浸纸绝缘、塑料绝缘和橡胶绝缘以及交联聚乙烯绝缘等。此外还有低温电缆和超导电缆等。2)电力电缆的结构特点：现将几种常用的电力电缆的主要特点分述如下：第一节发电系统的构成油纸绝缘电缆：a.粘性浸渍纸
22、绝缘电缆：成本低；工作寿命长；结构简单，制造方便；绝缘材料来源充足；易于安装和维护；油易淌流，不宜作高落差敷设；允许工作场强较低。b.不滴流浸渍纸绝缘电缆：浸渍剂在工作温度下不滴流，适宜高落差敷设；工作寿命较粘性浸渍纸电缆更长；有较高的绝缘稳定性；成本较粘性浸渍纸绝缘电缆稍高。塑料绝缘电缆：a.聚氯乙烯绝缘电缆：安装工艺简单；聚氯乙烯化学稳定性高，具有非燃性，材料来源充足；能适应高落差敷设；敷设维护简单方便；聚氯乙烯电气性能低于聚乙烯；工作温度高低对其力学性能有明显的影响。b.聚乙烯绝缘电缆：有优良的介电性能，但抗电晕、游离放电性能差；工艺性能好，易于加工，耐热性差，受热易变形，易延燃，易发生
23、应力龟裂。第一节发电系统的构成交联聚乙烯绝缘电缆：容许温升较高，故电缆的允许载流量较大；有优良的介电性能，但抗电晕、游离放电性能差；耐热性能好；适宜于高落差和垂直敷设；接头工艺虽较严格，但对技工的工艺技术水平要求不高，因此便于推广。橡胶绝缘电缆：柔软性好，易弯曲，橡胶在很大的温差范围内具有弹性，适宜作多次拆装的线路；耐寒性能较好；有较好的电气性能、力学性能和化学稳定性；对气体、潮气、水的渗透性较好；耐电晕、耐臭氧、耐热、耐油的性能较差；只能作低压电缆使用。3)电力电缆的基本结构：电缆的基本结构由线芯、绝缘层和保护层三部分组成。第一节发电系统的构成图3-12交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电力电缆1导
24、体2内半导体屏蔽3交联聚乙烯绝缘4外半导体屏蔽5钢带屏蔽6填充7包带8聚氯乙烯外护套第二节变流器一、电力电子器件1.电力电子器件的概念和特征2.电力电子器件的分类(1)按可控性分类根据驱动(触发)电路输出的控制信号对器件的控制程度，可将电力电子器件分为不控型、半控型和全控型三种器件。1)不控型器件：不能用控制信号控制其导通和关断的电力电子器件。2)半控型器件：可以通过控制极(门极)控制器件导通，但不能控制其关断的电力电子器件。3)全控型器件：既可以通过器件的控制极(门极)控制其导通，又可控制其关断的器件。第二节变流器(2)按驱动信号类型分类根据电力电子器件控制极对驱动信号的不同要求，可将电力电
25、子器件分为电流驱动型和电压驱动型两种。1)电流驱动型：通过对控制极注入或流出电流，实现其开通或关断的电力电子器件称为电流驱动型器件，如晶闸管、GTR、GTO晶闸管等。2)电压驱动型：通过对控制极和另一主电极之间施加控制电压信号，实现其开通或关断的电力电子器件称为电压驱动型器件，如电力MOSFET、IGBT等。3.不可控器件电力二极管(见图3-13)第二节变流器图3-13整流二极管及模块第二节变流器图3-14电力二极管电路图形符号及伏安(V-A)特性第二节变流器4.半控型器件晶闸管(见图3-15图3-17)图3-15螺栓型晶闸管第二节变流器图3-16晶闸管模块第二节变流器图3-17平板型晶闸管的
26、外形及结构第二节变流器图3-18晶闸管电路图形符号及伏安(V-A)特性第二节变流器1)电流触发特性：当晶闸管A-K极间承受正向电压时，如果G-K极间流过正向触发电流IG，就会使晶闸管导通。2)单向导电特性：晶闸管与电力二极管一样具有方向阻断特性，当承受反向电压时，此时无论门极有无触发电流，晶闸管都不会导通。3)半控型特征：晶闸管一旦导通，门极就会失去作用；此时，不论门极电流是否存在、触发电流极性如何，晶闸管都维持导通。5.电力场效应晶体管电力MOSFET(见图3-19)图3-19电力MOSFET第二节变流器图3-20电力MOSFET元胞内部结构和电路图形符号a)内部结构b)电路图形符号第二节变
27、流器图3-21电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性第二节变流器6.绝缘栅型双极性晶体管IGBT(见图3-22)图3-22IGBT单管及模块第二节变流器图3-23IGBT电路图形符号及静态特性a)电路图形符号b)转移特性c)输出特性第二节变流器二、AC-DC变换电路1.二极管整流器不控整流表3-1常用二极管整流器的主要形式第二节变流器2.晶闸管整流器相控整流表3-2常用晶闸管整流器的主要形式第二节变流器3.PWM整流器斩波整流图3-24单向半桥整流器第二节变流器图3-25单向全桥整流器第二节变流器图3-26三相电压型PWM整流器第二节变流器图3-27三相电流型PWM整流器
28、第二节变流器表3-3单管不隔离式DC-DC变换器的电路形式及电路特点三、DC-DC变换电路第二节变流器表3-3单管不隔离式DC-DC变换器的电路形式及电路特点第二节变流器四、DC-AC变换电路1.常用的DC-AC逆变器第二节变流器表3-4常用DC-AC逆变器的基本类型第二节变流器2.DC-AC逆变器的分类(1)电压型逆变器电压型逆变器的直流输入端并接有大电容储能元件，逆变桥输出到负载两端的电压为方波，其幅值为电容电压。(2)电流型逆变器电流型逆变器直流输入串接大电感储能元件，逆变器由电感稳流提供恒电流，逆变桥输出到负载的电流为方波，其幅值为电感电流。(3)单相半桥逆变器单相半桥逆变器有两个桥臂
29、，其中一个桥臂由开关器件和反并联二极管组成，另一个桥臂由两个参数相同的大容量电容组成，负载连接在两个桥臂的中点。(4)单相全桥逆变器单相全桥逆变器有两个桥臂，每个桥臂由开关器件和反并联二极管组成，负载连接在两个桥臂的中点。第二节变流器(5)三相桥式逆变器在三相逆变电路中，应用最广泛的是三相桥式逆变器，常用180换流导电型。五、AC-AC变换电路第二节变流器表3-5常用AC-AC交流电压控制器第二节变流器六、风力发电机组变流器的应用技术1.正弦脉宽调制技术2.大功率变流技术1)采用器件串联技术来提高电压等级；2)采用器件并联技术来提高逆变器的输出电流；3)采用模块并联技术。3.多重化技术4.低电
30、压穿越技术5.计算机软件控制技术第三节异步发电机及其并网一、结构图3-28笼型异步发电机剖面第三节异步发电机及其并网图3-29三相绕线转子异步发电机绕组接线第三节异步发电机及其并网二、工作原理三、并网方式1.直接并网图3-30风力异步发电机直接并网2.降压并网3.晶闸管软并网第三节异步发电机及其并网图3-31风力异步发电机经晶闸管软并网第三节异步发电机及其并网四、并网运行时的功率输出及无功功率补偿1.并网运行时的功率输出图3-32并网异步发电机的转矩-转速特性曲线第三节异步发电机及其并网2.并网运行时无功功率补偿五、变速恒频技术图3-33笼型异步发电机变速恒频风力发电系统第四节同步发电机及其并
31、网一、结构图3-34同步发电机结构第四节同步发电机及其并网图3-35同步发电机转子结构a)隐极式b)凸极式第四节同步发电机及其并网二、工作原理三、并网条件和方式1.并网条件图3-36风力同步发电机与电网并联运行的电路2.并网方式第四节同步发电机及其并网(1)自动准同步并网满足上述理想并联条件的并网方式称为准同步并网，在这种并网方式下，并网瞬间不会产生冲击电流，电网电压不会下降，也不会对定子绕组和其他机械部件造成冲击。(2)自同步并网自动准同步并网的优点是合闸时没有明显的电流冲击，缺点是控制与操作复杂、费时。四、转矩-转速特性图3-37并网同步发电机的转矩-转速特性第四节同步发电机及其并网五、功
32、率调节和补偿1.有功功率的调节图3-38同步发电机的功角特性a)凸极机b)隐极机2.无功功率的补偿第四节同步发电机及其并网图3-39同步发电机V形曲线六、变速恒频技术第四节同步发电机及其并网图3-40同步发电机的变速恒频风力发电系统第五节双馈异步发电机发电系统一、结构图3-41双馈异步发电机a)外形b)发电系统结构二、工作原理1.基本方程式、等效电路和相量图第五节双馈异步发电机发电系统1)忽略定、转子电流谐波和定、转子空间磁动势谐波分量；2)忽略发电机铁心磁滞、涡流损耗及磁路饱和的影响；3)转子励磁电源能提供满足要求的转子电流，不计其电阻和损耗；4)发电机定子接于无穷大电网。图3-42双馈发电
33、机等效电路图第五节双馈异步发电机发电系统图3-43双馈发电机相量图第五节双馈异步发电机发电系统图3-44等效叠加电路图3.能量流动平衡关系1)转子运行在亚同步速的电动状态(1s0)。2)转子运行于亚同步速的定子回馈制动状态(1s0)。2.定、转子电流计算第五节双馈异步发电机发电系统图3-45拆分后等效电路图第五节双馈异步发电机发电系统图3-46双馈电机不同运行状态下的能流关系第五节双馈异步发电机发电系统3)转子运行于与超同步速的电动状态(s0)。4)转子运行于超同步速的定子回馈制动状态(sv25m/s)。3)机组：机组本身至少应具备以下条件：发电机温度、增速箱油温度应在设定值范围以内；液压系统
34、所有部位的压力都在设定值；液压油位和齿轮润滑油位正常；制动器摩擦片正常；扭缆开关复位；控制系统DC24V、AC24V、DC5V、DC15V电源正常；非正常关机后显示的所有故障均已排除；维护开关在运行位置。4.风轮对风5.制动解除第二节定桨距-双速发电机机组6.风力发电机组并网与脱网(1)大小发电机的软并网程序1)发电机转速已达到预置的切入点，该点的设定应低于发电机同步转速。2)连接在发电机与电网之间的开关器件晶闸管被触发导通(这时旁路接触器处于断开状态)，导通角随发电机转速与同步转速的接近而增大，随着导通角的增大，发电机旋转的加速度减小。3)当发电机达到同步转速时，晶闸管导通角完全打开，转速超
35、过同步转速进入发电状态。4)进入发电状态后，晶闸管导通角继续完全导通，但这时绝大部分的电流是通过旁路接触器输送给电网的，因为它比晶闸管电路的电阻小得多。第二节定桨距-双速发电机机组(2)从小发电机向大发电机的切换小发电机为6极绕组，同步速为1000r/min，大发电机为4极绕组，同步转速1500r/min。(3)大发电机向小发电机的切换当发电机功率持续10min内低于预置值Pc时，或10min内平均功率低于预置值Pd时，将执行大发电机向小发电机的切换。(4)电动机起动电动机起动是指风力发电机组在静止状态时，把发电机用作电动机将机组起动到额定转速并并入电网。三、双速发电机机组控制系统1.控制系统
36、的组成第二节定桨距-双速发电机机组图7-8控制系统的组成第二节定桨距-双速发电机机组图7-9系统控制流程图2.控制系统工作原理第二节定桨距-双速发电机机组四、参数监测和处理1.电力参数监测(1)电压测量主要检测以下故障电网冲击：相电压超过450V，0.2s；过电压：相电压超过433V，50s；低电压：相电压低于329V，50s；电网电压跌落：相电压低于260V，0.1s；相序故障。(2)电流测量主要检测以下故障电流跌落，0.1s内一相电流跌落80%；三相不对称，三相中有一相电流与其他两相相差过大，相电流相差25%，或在平均电流低于50A时，相电流相差50%；晶闸管故障，软起动期间，某相电流大于
37、额定电流或者触发脉冲发出后电流连续0.1s为零。(3)持续测量电网频率测量值经平均值算法处理与电网上、下限频率进行比较，超出时风力发电机组退出电网。第二节定桨距-双速发电机机组(4)功率因数的测量功率因数通过分别测量电压相角和电流相角获得，经过移相补偿算法和平均值算法处理后，用于统计发电机有功功率和无功功率。(5)功率监测功率可通过测得的电压、电流、功率因数计算得出，用于统计风力发电机组的发电量。1)功率过低：如果发电机功率持续(一般设置3060s)出现逆功率，其值小于预置值Ps，风力发电机组将退出电网，处于待机状态。2)功率过高：一般说来，功率过高现象由两种情况引起：一是由于电网频率波动引起
38、的。2.风力参数监测(1)风速监测风速通过机舱外的数字式风速仪测得。第二节定桨距-双速发电机机组1)风速高于25m/s持续10min。2)风速高于33m/s，持续2s，正常关机。3)风速高于50m/s，持续2s，紧急关机，侧风90。(2)风向监测风向标安装在机舱顶部两侧，主要测量风向与机舱中心线的偏差角。3.机组状态参数检测(1)转速检测风力发电机组转速的测量点有两个：即发电机转速和风轮转速。(2)温度检测有8个点的温度被测量，用于反映风力发电机组系统的工作状况。(3)机舱振动检测为了检测机组的异常振动，在机舱上应安装振动传感器。第二节定桨距-双速发电机机组(4)电缆扭转检测由于发电机电缆及所
39、有电气、通信电缆均从机舱直接引入塔筒，直到地面控制柜。(5)机械制动状况在机械制动系统中装有摩擦片磨损指示器，如果摩擦片磨损到一定程度，控制器将显示故障信号，这时必须更换摩擦片后才能起动风力发电机组。(6)油位检测风力发电机组的油位包括润滑油位、液压系统油位。(7)各种反馈信号的检测控制器在以下指令发出后的设定时间内应收到动作已执行的反馈信号：回收叶尖扰流器；松开主传动制动；松开偏航制动；发电机脱网及脱网后的转速降落信号。第三节变桨距-优化转差机组一、机组的控制特性1.输出功率特性图7-10变桨距调节a)小风速b)大风速第三节变桨距-优化转差机组图7-11功率曲线比较第三节变桨距-优化转差机组
40、2.在额定点具有较高的风能利用系数3.确保高风速段的额定功率4.起动性能与制动性能二、运行状态图7-12不同桨距角时的叶片截面第三节变桨距-优化转差机组1.起动状态2.欠功率状态3.额定功率状态图7-13变桨距风力发电机组的控制框图第三节变桨距-优化转差机组图7-14带转差率控制的变桨距系统三、带调整发电机转差率的变桨距系统第三节变桨距-优化转差机组图7-15速度控制系统A第三节变桨距-优化转差机组图7-16速度控制系统B第三节变桨距-优化转差机组图7-17功率控制系统四、发电机转子电流控制技术1.应用RCC的功率控制系统第三节变桨距-优化转差机组图7-18功率参考曲线第三节变桨距-优化转差机
41、组图7-19转子电流控制系统3.转子电流控制器的结构2.转子电流控制器原理第三节变桨距-优化转差机组图7-20发电机运行特性曲线的变化第三节变桨距-优化转差机组图7-21可变转差率发电机结构第三节变桨距-优化转差机组图7-22转子电流控制器电气原理第三节变桨距-优化转差机组图7-23额定风速以上运行时桨距角、转速与功率曲线4.采用转子电流控制器的功率调节第四节变速恒频机组图7-24变桨距变速恒频风力发电机组的基本结构第四节变速恒频机组图7-25风力发电机组的功率曲线第四节变速恒频机组图7-26风力机性能曲线一、最佳风能利用系数第四节变速恒频机组图7-27桨距角不变时风力机性能曲线第四节变速恒频
42、机组1)功率限制：所有电路及电力电子器件受功率限制；2)转速限制：所有旋转部件的机械强度受转速限制。二、风力机的转矩-速度特性图7-28不同风速下的转矩-速度特性第四节变速恒频机组三、运行状态图7-29风力发电机组的等值线图第四节变速恒频机组四、总体控制方式图7-30三个区域的值变化情况a)恒定区b)转速恒定区c)功率恒定区1.CP恒定区第四节变速恒频机组图7-31转速变化时不同风速下风力发电机组功率与目标功率的关系第四节变速恒频机组图7-32转速恒定区的实现2.转速恒定区第四节变速恒频机组3.功率恒定区图7-33恒定功率的实现第八章支 撑 体 系第一节机 舱 壳 体第二节塔架第三节基础第四节
43、接地与避雷第一节机 舱 壳 体一、机舱底盘图8-1机舱底盘第一节机 舱 壳 体图8-2前机舱底盘第一节机 舱 壳 体图8-3机舱罩二、机舱罩第一节机 舱 壳 体图8-4整流罩三、整流罩第二节塔架图8-5拉索式塔架一、塔架的分类1.拉索式塔架2.桁架式塔架图8-6桁架式塔架第二节塔架3.锥筒式塔架1)钢制塔架：采用强度和塑性较好的多段钢板进行滚压，对接焊成截锥式筒体，两端与法兰盘焊接而构成截锥塔筒。图8-7钢混组合塔架第二节塔架2)钢混组合塔架：这种锥筒塔架是分段采用钢制与钢筋混凝土制造的两种塔筒组合，其主要构造特点：锥筒塔架分为上、下两段，其上段为钢制塔架，下段则为钢筋混凝土塔架。3)钢筒夹混
44、塔架：这种锥筒塔架采用双层同心的钢筒，在钢筒间填充混凝土制造而成，塔筒横截面组合的示意如图所示。图8-8钢筒夹混塔架横截面第二节塔架二、塔架结构1.塔筒图8-9塔筒a)内部结构b)连接方式第二节塔架图8-10塔筒高度第二节塔架图8-11平台2.平台第二节塔架图8-12机舱拉入塔架的电缆3.电缆及其固定第二节塔架图8-13外梯a)直梯b)螺旋梯4.内梯与外梯第二节塔架三、塔架的固有频率图8-14塔架的固有频率第二节塔架图8-15叶片、机舱和塔架的受力与运动a)受力b)运动四、塔架-风轮系统振动模态第二节塔架图8-16叶片和塔架的振型第二节塔架图8-17频率分布图第二节塔架图8-18叶片振动测试第
45、二节塔架图8-19升降梯五、搬运及安全设备1.升降梯第二节塔架2.起重机图8-205MW机组配置的起重机第二节塔架图8-21小型起重设备第二节塔架图8-22安全设备3.安全设备第三节基础一、陆上风力发电机组的基础1.厚板块基础图8-23厚板块基础a)平面板块基础b)平放基座基础c)嵌入式塔架和倾斜板块基础d)岩石床打锚基础第三节基础2.多桩基础图8-24多桩与单桩基础a)桩基群与桩帽基础b)实体单桩基础c)中空单桩基础第三节基础3.混凝土单桩基础图8-25单桩固定结构第三节基础二、海上风力发电机组的基础图8-26三角架固定结构第三节基础1.单桩固定式图8-27混凝土重力固定结构第三节基础2.三
46、角架固定式3.混凝土重力固定式4.钢制重力固定式5.浮置式图8-28钢质重力固定结构第三节基础图8-29浮置式固定结构第四节接地与避雷一、电气接地保护图8-30发电机与机舱底盘的等电位连接第四节接地与避雷图8-31塔筒每两段之间的专用跨接导体第四节接地与避雷8Z32.TIF第四节接地与避雷图8-33避雷系统示意图二、避雷系统1.风轮叶尖和风速传感器的保护第四节接地与避雷图8-34防雷电刷第四节接地与避雷图8-35共同接地体的布局2.机舱的保护第四节接地与避雷3.电气设备的保护1)电源系统的保护：如果采用690V/400V的风力发电机供电线路，为防止沿低压电源侵入的浪涌过电压损坏用电设备，供电回
47、路应采用TN-S供电方式，保护线PE与电源中性线N分离。图8-36供电电源系统的保护第四节接地与避雷图8-37电涌保护器a)发动机输出端b)数据传输接口第四节接地与避雷2)控制柜内主控制器的保护：PLC是控制系统的核心，且对电涌的抗击能力较弱，可在其变压器输出端并联防雷器。3)测控线路保护：对于机舱外部的风向标、风速仪的线路，可以在塔底柜内的变送器前端加装模拟信号防雷器或开关信号防雷器进行保护。4)地基防雷接地体：地基接地体由两个基础的垂直接地体和一个环形接地体组成(见图8-39)，要求工频接地电阻在410的范围内。图8-38机组中电涌保护器设置示意图第四节接地与避雷图8-39塔底避雷布局示意
48、图第九章风力发电机组的维护第一节风力发电机组的维护概述第二节风力机的维护第三节发电系统的维护第四节主传动与制动系统的维护第五节变桨距、偏航及辅助系统的维护第六节控制系统的故障与防护第七节支撑体系的维护第一节风力发电机组的维护概述一、维护周期1)风力发电机组安装调试完运行一个月后，需要进行全面维护，包括所有螺栓联接的紧固、各个润滑点的润滑，以及其他需要检查的项目。2)最初运行一个月的维护完成后，风力发电机组的正常维护分为间隔半年维护和间隔一年维护。二、维修所需的常用工具1)各种扳手：液压扳手、扭力扳手(如：1500Nm、600 Nm、300 Nm)、敲击扳手、各种呆扳手、各种梅开棘轮扳手、各种套
49、筒、活动扳手、内六角扳手、钩子扳手、加长杆。2)旋具：旋具套筒、一字螺钉旋具、十字螺钉旋具。3)各种通用和专用油枪。第一节风力发电机组的维护概述4)测量用品：数字式万用表、卷尺等。5)清洁用品：毛刷、卫生纸、抹布、垃圾袋。6)安全用品：安全带、安全帽、安全靴、绝缘手套、防护眼镜、保暖衣、止跌扣、加长绳(带缓冲)等。第二节风力机的维护一、叶片的维护1.叶片表面砂眼图9-1叶片表面砂眼第二节风力机的维护图9-2叶片表面裂纹2.叶片表面裂纹第二节风力机的维护图9-3叶尖的开裂3.叶尖的磨损及开裂第二节风力机的维护4.盐雾和污垢对叶片的影响5.雷电对叶片的损坏图9-4雷电对叶片的损坏第二节风力机的维护
50、二、叶片轴承的维护三、轮毂的维护第三节发电系统的维护一、发电机的维护及故障分析1.运行维护(1)年度维护根据发电机运行环境，每年进行一次整体清洁维护；检查所有紧固件(螺栓、垫圈等)连接是否良好；检查绝缘电阻是否满足要求。(2)检测绝缘电阻第一次起动之前或长时间放置起动前，应测量绕组绝缘电阻值(包括绕组对地绝缘电阻和绕组之间的绝缘电阻)。1)电流干燥法：对绕组分别通以合适的低压直流或交流电源，使绕组温度不超过75。2)用加热装置干燥：用干燥炉、加热电阻器、热吹风机或其他装置进行干燥，如有可能，使用可设定温度的加热装置。第三节发电系统的维护(3)轴承的维护定时定量地向发电机传动端轴承和非传动端轴承
