风电机组-发电机部分

风电机组-发电机部分知识总结，包括发电机分类、发电机基本参数、感应发电机特性和并网方式、同步发电机、双馈发电机等。

风电机组发电机

• 发电机分类：
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• 发电机基本参数
  • 发电机的输出功率
    • 视在功率：输出电压有效值和电流有效的乘积 单位：V.A
    • 有功功率：是指单位时间内输出的交流电的电能 单位：W / KW / MW
      • 发电机有功功率计算公式： P=√3UIcosφ， 式中：U－定子三相绕组上的线电压有效值 I－流过电子绕组上的线电流有效值 cosφ－功率因数 （有功功率和视在功率的比值称为有功功率因数）
      • 一般说的功率都是指有功功率
    • 无功功率：是表述视在功率超过有功功率程度的辅助量 单位:乏var / 千乏kvar
  • 发电机转速：是指发电机在其运行中转子的旋转速度，用n表示，单位r/min
  • 发电机的转差率：发电机中旋转磁场和转子之间的相对转速与同步转速的比值，称为发电机的转差率用S表示，S=(n1-n)/n1。
  • 同步转速：当定子绕组接入频率恒定的对称三相交流电网时，定子三相绕组中变有对称的三相电流通过，从而联合产生一个定子旋转磁场，定子旋转磁场的转速为n1称为同步转速
    • 电机转速与频率的公式： n1=60f/p 上式中 n1——电机的同步转速（r/min）； 60——每分钟（S）； f——电源频率（HZ）； p——电机旋转磁场的极对数。 
• 感应发电机
  • 特性
    • 定子上有三绕组，空间上彼此相差120°电角度，每相绕组的匝数相等
    • 笼型感应发电机的定子与转子之间必须有一定的气隙，气隙的大小对发电机的性能有很大的影响，一般为降低空载电流和提高功率因素，在工艺允许的情况下气隙尽可能的小
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    • 感应发电机可以工作在不同的状态
      • 转子的转速小于同步转速时（n<n1）
        • 发电机工作在电动状态，发电机的电磁转矩为拖动转矩，电机从电网吸收无功功率建立磁场，吸收有功功率将电能转化为机械能
      • 当风力作用下转子的转速大于同步转速时（n>n1）
        • 发电机运行在发电状态、电机中的电磁转矩为制动转矩，阻碍电机旋转，此时电机需要从外部吸收无功电流建立磁场（如电容提供无功）而将机组获得的机械能转化为电能提供给电网，此时转差率为负值，一般为绝对值的2%-5%之间
    • 大容量的感应发电机的转子转速一般为（1-1.05）n1（同步转速）之间
    • 因电网电压的变化对感应发电机具有一定的影响，比如电压过高时发电机励磁电流增大，功率因数下降，严重时会导致发电机过载运行，因而感应发电机需配备可靠的过电压、欠电压保护装置
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  • 并网方式
    • 大型感应发电机并网方式通常采用晶闸管软并网
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      • 原理是在感应发电机的定子与电网之间每项串入一直双向晶闸管，通过控制晶闸管的导通角控制并网时的冲击电流，从而得到一个平滑的并网暂态过程
      • 并网过程1：达到了机组的切入风速，风力机将电机带到同步转速附近，检查发电机相序相同等后，发电机输出端断路器闭合，发电机经一组双向晶闸管，与电网相连，在微机控制下双向晶闸管的触发延迟角由180°向0°逐渐打开，导通角则由0°到180°逐渐增大，通过电流反馈对双向晶闸管的导通角实现闭环控制，将并网冲击电流限制在允许范围内，从而感应发电机通过晶闸管平稳的接入电网
      • 并网过程2：并网的瞬态过程结束后，在发电机的转速与同步转速相同时，控制器发出信号，利用一组接触器将晶闸管短接，感应发电机的输出电流将不再经过双向晶闸管，通过已闭合的接触器流入电网，但在发电机并入电网后，应立即在发电机端并入功率因数补偿装置，将发电机的功率因素提高到0.95以上
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    • 并网运行时的无功补偿
      • 原因：因为感应发电机再向电网输出有功功率的同时，还必须从电网吸收滞后的无功功率来建立磁场和满足漏磁的需要
      • 一般大中型感应发电机的励磁电流为发电机额定电流的20%-30%，无功功率的大量吸收，会使得电网功率因数下降，同时引起电网电压的下降和线路损耗的增大，影响电网的稳定性
      • 补偿无功功率的装置有：同步调相机、有源静止无功补偿器、并联电容补偿器（应用比较多）同步发电机运行时可通过调节励磁电流来调节功率因素，技能输出有功功率，也能提供无功功率，可使功率因素为“1”
• 同步发电机
  • 分类：同步发电机一般有电励磁和永磁两类
  • 特征：当同步发电机转速一定时，同步发电机的频率稳定、电能质量高、
  • 同步发电机的并网方式多采用间接并网的方式：一般由软启动单元、du/dt滤波器、机侧变流器、网侧电流器、LCL网侧滤波器、撬棒保护电路、励磁电源、发电机组成
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  • 并网各部件的作用：
    • 发电机软启动电路：在并网断路器闭合瞬间，过高的电压变化率在直流母线电容上形成较大的冲击电流，在网侧断路器闭合前通过软启动为直流母线上的支撑电容充电，保护支撑电容不受电网电压的冲击
    • du/dt滤波单元：主要用于抑制机侧出现的尖峰电压和快速瞬变电压
    • 机侧变流器：将发电机定子输出的三相交流电整流成直流电，实现发电机在不听的风速和转速条件下输出稳定的直流电压
    • 网侧变流器：将直流电转换成三相交流电送入电网，实现全功率风力发电机组的可靠并网运行
    • LCL网侧滤波器：用于抑制交流电的畸变和电流谐波，减小变流器对电网的谐波污染，满足并网电能质量的要求
    • 撬棒保护电路：撬棒电路是由功率器件（包括IGBT以及控制电路）和一个卸荷负载电阻（作用是消耗消耗电网电压跌落时直流侧的多余能量）组成，
    • 励磁电源：是为电励磁同步发电机励磁线圈提供电源的装置
• 双馈发电机
  • 特点：双馈发电机的定子直接与电网连接，转子绕组通过集电环经变流器与电网相连，通过控制转子的电流的频率、幅值、相位和相序实现变速恒频
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  • 在一定的工况下，双馈发电机定子和转子都可以向电网提供电能，所以称为双馈发电机，由于双馈发电机是由转子提供交流励磁，所以也称为交流励磁发电机
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  • 双馈发电机的三种运行状态
    • 亚同步运行状态：此状态下，由于通入转子绕组频率f2的电流产生的旋转磁场其转速与转子的转速相同，因此有：n+n2=n1(n1为同步转速、n为转子转速、n2为f2转差频率下旋转磁场的转速)
    • 超同步运行状态：在这中状态下n>n1，改变通入转子绕组的频率f2的电流相序，其所产生的旋转磁场转速n2的转向与转子的转向相反，因此有n-n2=n1,为实现n2的转向反向，在次同步运行转向超同步运行期间，转子三相绕组必须能自动改变其相序
    • 次同步运行状态：此状态下n=n1，转差频率f2=0，这表明通入转子绕组的电流频率为0，也就是直流电流，因此跟普通的同步发电机一样
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  • 双馈发电系统变流器
    • 双馈式发电机组一般采用背对背两电平电压型 PWM 变流器
      •  拓扑结构如图 3-68 所示。 Ua、Ub、Uc为网侧变流器交流三相电网电压; ia、ib、ic为网侧变流器交流三相流入电流; L、R分别为交流进线电抗器的电感和等效电阻: C 为直流环节的储能电容; Ubc、lbc分另是电容的电压和电流; Id、Iload分别是流经网侧变流器和转子侧变流器直流母线的电流; L2φ、R2分别为转子一相绕组的漏感和电阻; e2a、e2b、e2,为转子三相线组的反电势。
    • 网侧变流器的主要功能是实现交流侧输入单元功率因素控制和各种状态下保持直流环节电压的稳定，确保转子侧变流器以及发电机的励磁系统可靠工作
    • 转子侧变流器的主要功能是在转子侧实现有功功率和无功功率的调节
  • 撬棒保护电路（Crowbar）
    •  1）风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms的能力; 2）风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行
    • 电网系统有时会产生瞬时的短路，造成风力发电机组接入点发生电压跌落，
      • 短暂时间下电网电压大幅度下降，风电机组必须在极短的时间内做出无功功率调整支撑电网电压，以保证机组不脱网，避免局部电网内风电成分大量切除，导致系统供电质量恶化。
      • 当电网发生短路故障时，将引起发电机转子电流增大，严重时引起转子侧过电流，直流侧电容过电压
    • 作用：使机组具有低电压穿越能力，及风力发电机组端电压降低到一定值的情况下，能够继续维持并网运行的能力