电气系统3资料.pptx
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1、风电场电气系统风电场电气系统风电场主要一次设备风电场主要一次设备1 1朱永强朱永强风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备第第3 3章章 风电场主要一次设备风电场主要一次设备1关注的问题关注的问题发电机的结构和工作原理是什么?发电机的结构和工作原理是什么?大型发电机的种类有哪些?各自有什么特点?大型发电机的种类有哪些?各自有什么特点?变压器的工作原理是什么?其实际结构式怎样的?变压器的工作原理是什么?其实际结构式怎样的?变压器的型号和参数有哪些?变压器的型号和参数有哪些?教学目标教学目标基本掌握发电机和变压器的结构和工作原理基本掌握发电机和变压器的结构和工作原理识记变
2、压器的型式、参数识记变压器的型式、参数对风电场的发电机和变压器有具体认知对风电场的发电机和变压器有具体认知风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备3.1 风力发电机风力发电机 3.1.1发电机的结构发电机的结构 目前风电场中应用的风力发电机,大都是目前风电场中应用的风力发电机,大都是三相交流发电机三相交流发电机 各类发电机的主体部分都由各类发电机的主体部分都由静止的定子静止的定子和和可以旋转的转子可以旋转的转子两两大部分构成大部分构成 原动机(例如风力发电中用的风原动机(例如风力发电中用的风力机)带动转子绕轴旋转,在力机)带动转子绕轴旋转,在定定子绕组中感应出电势子绕
3、组中感应出电势,在闭合的,在闭合的外电路中形成电流从定子绕组出外电路中形成电流从定子绕组出线端(如图中的线端(如图中的A A、B B、C C所示)所示)送出。送出。定子就像一个空心的圆筒,定子就像一个空心的圆筒,转子像一个实心的滚轴转子像一个实心的滚轴风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备 3.1.1发电机的结构发电机的结构 定子和转子一般都由定子和转子一般都由铁心和绕组铁心和绕组构成。构成。绕组多是用绕组多是用铜线缠绕的金属线圈铜线缠绕的金属线圈,当然铜线外面要包裹绝缘,当然铜线外面要包裹绝缘物质。铁心的功能是物质。铁心的功能是靠铁磁材料提供磁的通路靠铁磁材料提供
4、磁的通路,以,以约束磁场约束磁场的分布的分布。各种发电机的定子的基本结构是类似的各种发电机的定子的基本结构是类似的定子铁心由定子铁心由很薄的圆环状硅钢片叠制而成很薄的圆环状硅钢片叠制而成,内,内表面开了表面开了若干轴向沟槽若干轴向沟槽,用于嵌放定子绕组。,用于嵌放定子绕组。风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备3.1.1发电机的结构发电机的结构电机结构的差别电机结构的差别可能主要体现在可能主要体现在转子的形状或转子绕组的形状转子的形状或转子绕组的形状同步机的转子有同步机的转子有凸极式和隐极式凸极式和隐极式等类别等类别凸极式转子铁心,凸极式转子铁心,有有明显的磁极凸出
5、明显的磁极凸出隐极式转子铁心的截面为圆形。隐极式转子铁心的截面为圆形。风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备3.1.1发电机的结构发电机的结构 异步机异步机的转子绕组有的转子绕组有鼠笼式和绕线式鼠笼式和绕线式等等绕线式绕线式转子的绕组连接到转子的绕组连接到三三个固定在转轴上的铜环个固定在转轴上的铜环,通,通过过电刷电刷引出。可以在转子绕引出。可以在转子绕组传入阻抗,以改善电机的组传入阻抗,以改善电机的启动性能或者调节转速启动性能或者调节转速鼠笼式鼠笼式转子的绕组由转子的绕组由嵌放在嵌放在转子铁心槽内的金属导条转子铁心槽内的金属导条和和两端的短路环两端的短路环组成组成
6、风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备 3.1.2发电机的工作原理发电机的工作原理 发电机的工作原理主要是基于发电机的工作原理主要是基于电磁感应现象电磁感应现象。电电 磁磁 当导体中通入电流时,在带电导体的周围会产生磁场。当导体中通入电流时,在带电导体的周围会产生磁场。如果导体中流过的电流是如果导体中流过的电流是直流电直流电,则产生,则产生恒定的磁场恒定的磁场。如果。如果导体中流过的电流是导体中流过的电流是交流电交流电,则产生,则产生交变的磁场交变的磁场。磁磁 电电 当处于磁场中的导体做不平行于磁场方向的运动时,导体当处于磁场中的导体做不平行于磁场方向的运动时,导体
7、切切割磁力线割磁力线,就会在该导体中,就会在该导体中感应出电势感应出电势 如果该导体与外电路构成了闭合回路,则还会在感应电势的如果该导体与外电路构成了闭合回路,则还会在感应电势的作用下形成作用下形成感应电流感应电流。风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备3.1.2.1转子绕组通入直流励磁电流同步发电机转子绕组通入直流励磁电流同步发电机转子绕组中的转子绕组中的直流励磁电流直流励磁电流,形,形成相对于成相对于转子静止的恒定磁场转子静止的恒定磁场。当转子在原动机(例如风力机)当转子在原动机(例如风力机)的驱动下以的驱动下以转速转速n旋转旋转时,那么时,那么定子绕组与转子磁
8、场之间便有了定子绕组与转子磁场之间便有了转速为转速为n的相对运动的相对运动,从而在定,从而在定子绕组中产生子绕组中产生感应电势感应电势。磁场强度最大的位置在定子内表面圆周上出现的位置是随着时间磁场强度最大的位置在定子内表面圆周上出现的位置是随着时间变化的,变化的,可以形象的理解为,磁场强度最大值出现的位置是在定可以形象的理解为,磁场强度最大值出现的位置是在定子内表面圆周上旋转的,因此常常将三相对称电流在定子中产生子内表面圆周上旋转的,因此常常将三相对称电流在定子中产生的这种磁场称为的这种磁场称为旋转磁场旋转磁场。在同步发电机中,定子绕组中的电流是主要感应出来的,事实在同步发电机中,定子绕组中的
9、电流是主要感应出来的,事实上,上,定子电流的频率是由转子的转速定子电流的频率是由转子的转速(在同步机中,转子转速(在同步机中,转子转速n等于同步速等于同步速n1)决定的决定的,即:,即:风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备3.1.2.2转子绕组无励磁电流异步发电机转子绕组无励磁电流异步发电机假设假设定子旋转磁场的转速为定子旋转磁场的转速为n1,当异步机的,当异步机的转子在原动机(例如风力机)的驱动下,以转子在原动机(例如风力机)的驱动下,以转速转速n旋转时,转子绕组的导体与定子旋转旋转时,转子绕组的导体与定子旋转磁场之间有磁场之间有n-n1的转速差的转速差在转子绕
10、组中感应出的电压和电流的频率也都在转子绕组中感应出的电压和电流的频率也都由该转速差决定。由该转速差决定。风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备3.1.2.2转子绕组无励磁电流异步发电机转子绕组无励磁电流异步发电机异步电机异步电机转子中感应电流的频率转子中感应电流的频率应为:应为:转子磁场的旋转速度转子磁场的旋转速度(指的是转子磁场相对于转子本身的转(指的是转子磁场相对于转子本身的转速)为:速)为:定子绕组中电流的频率定子绕组中电流的频率f1f1由感应出该电流的定子绕组与转子由感应出该电流的定子绕组与转子磁场的相对转速磁场的相对转速n1n1决定,即:决定,即:转差率转
11、差率的定义如下:同步速的定义如下:同步速n1n1和电机转子转速和电机转子转速n n之差与同步速之差与同步速n1n1的比值,用的比值,用s s表示:表示:风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备 3.1.2.3转子绕组通入交流励磁电流交流励磁式发电机转子绕组通入交流励磁电流交流励磁式发电机 交流励磁式发电机和异步发电机有些类似,差别在于它交流励磁式发电机和异步发电机有些类似,差别在于它主动主动给转子绕组提供产生转子磁场所需的交流励磁电流给转子绕组提供产生转子磁场所需的交流励磁电流。当转子以转速当转子以转速n n旋转时,如果能够控制转子绕组励磁电流的频旋转时,如果能够控制
12、转子绕组励磁电流的频率率f2f2,使得转子磁场相对于转子本身的转速,使得转子磁场相对于转子本身的转速n2n2(根据需要,(根据需要,可以与转子旋转方向相同或相反)始终满足可以与转子旋转方向相同或相反)始终满足 则可以在发电机转子转速则可以在发电机转子转速n n发生变化的情况下,仍能保持发电发生变化的情况下,仍能保持发电机定子输出电压频率恒定。机定子输出电压频率恒定。风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备 3.1.2 大型风力发电机的主流机型大型风力发电机的主流机型 未来并网风力发电的主流机型都是通过未来并网风力发电的主流机型都是通过电力电子换流器电力电子换流器实现实
13、现风力发电机组的变速恒频控制风力发电机组的变速恒频控制。变速恒频变速恒频,即风力机和发电机转子的转速是可变的,而发电,即风力机和发电机转子的转速是可变的,而发电机输出电压的频率是恒定的。机输出电压的频率是恒定的。风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备 3.1.2.1 鼠笼型异步风力发电机鼠笼型异步风力发电机 由于风速的不断变化,导致风力机以及发电机的转速也随之由于风速的不断变化,导致风力机以及发电机的转速也随之变化,所以实际上变化,所以实际上鼠笼型风力发电机发出的电压频率是变化鼠笼型风力发电机发出的电压频率是变化的的 基于基于电力电子技术的换流器电力电子技术的换流器
14、,先将风力发电机输出的交流电,先将风力发电机输出的交流电压压整流整流,得到直流电压,再将该直流电压,得到直流电压,再将该直流电压逆变逆变为频率、幅值、为频率、幅值、相位都满足要求的交流电,送入电网。相位都满足要求的交流电,送入电网。风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备 3.1.2.2 永磁同步直驱式风力发电机永磁同步直驱式风力发电机 所谓所谓“直驱式直驱式”是指,风力机与发电机之间没有变速机构是指,风力机与发电机之间没有变速机构(即齿轮箱),而是由风力机直接驱动发电机的转子旋转。(即齿轮箱),而是由风力机直接驱动发电机的转子旋转。转子的转速就由风力机的转速决定。当
15、风速发生变化时,风转子的转速就由风力机的转速决定。当风速发生变化时,风力机的转速也会发生变化,因而转子的旋转速度是时刻变化力机的转速也会发生变化,因而转子的旋转速度是时刻变化的。的。为了解决风速变化带来的为了解决风速变化带来的输出电压频率变动的问题输出电压频率变动的问题,需要在,需要在发电机定子绕组与电网之间配置发电机定子绕组与电网之间配置换流器换流器风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备 3.1.2.3 交流励磁双馈式感应风力发电机组交流励磁双馈式感应风力发电机组 所谓所谓“双馈式双馈式”是指,发电机的是指,发电机的定子绕组和转子绕组与电网定子绕组和转子绕组与电网
16、都有电气连接都有电气连接,都可以与电网之间交换功率。,都可以与电网之间交换功率。双馈式风电机组的定子绕组与电网直接连接,双馈式风电机组的定子绕组与电网直接连接,输出电压的频输出电压的频率可以通过转子绕组中的交流励磁电流的频率调节得以控制率可以通过转子绕组中的交流励磁电流的频率调节得以控制。换流器先将电网换流器先将电网50Hz的交流电的交流电整流整流,得到直流电,再将该直,得到直流电,再将该直流电流电逆变逆变为频率满足要求的交流电,用于转子绕组的励磁。为频率满足要求的交流电,用于转子绕组的励磁。风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备 3.1.2.4 无刷双馈式风力发电
17、机组无刷双馈式风力发电机组 无刷双馈式风力发电机组,其无刷双馈式风力发电机组,其定子有两套极数不同的绕组定子有两套极数不同的绕组,一个称为一个称为功率绕组功率绕组,直接接电网;另一个称为,直接接电网;另一个称为控制绕组控制绕组,通,通过双向换流器接电网。过双向换流器接电网。转子为转子为笼型或磁阻式笼型或磁阻式结构,无需电刷和滑环,结构,无需电刷和滑环,转子的极对数转子的极对数应为定子两个绕组极对数之和应为定子两个绕组极对数之和。这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于交流励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕组相当于交流励磁双馈发
18、电机的定子绕组和转子绕组风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备3.1.2.4 无刷双馈式风力发电机组无刷双馈式风力发电机组对于无刷双馈发电机,有对于无刷双馈发电机,有:fp定子功率绕组电流频率定子功率绕组电流频率,与电网频率相同;,与电网频率相同;fc定子控制绕组电流频率定子控制绕组电流频率;fm转子转速对应的频率转子转速对应的频率;pp定子功率绕组的极对数定子功率绕组的极对数;pc定子控制绕组的极对数定子控制绕组的极对数。超同步时,式中取超同步时,式中取“+”;亚同步时,取;亚同步时,取“”风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备3.2
19、变压器变压器 3.2.1 变压器工作原理变压器工作原理 3.2.1.1 变压器的电压变换变压器的电压变换 变压器的基本原理变压器的基本原理是利用电磁感应现象实现一个电压等级的交是利用电磁感应现象实现一个电压等级的交流电能到另一电压等级交流电能的变换流电能到另一电压等级交流电能的变换 变压器的核心部件是变压器的核心部件是铁心和绕组铁心和绕组,铁心用于提供磁路,缠绕于,铁心用于提供磁路,缠绕于铁心上的绕组构成电路铁心上的绕组构成电路 与电源相连的一侧为与电源相连的一侧为一次绕组一次绕组,与负荷相连的一侧为,与负荷相连的一侧为二次绕组二次绕组风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要
20、一次设备 3.2.1.1 变压器的电压变换变压器的电压变换 一次绕组和二次绕组一般一次绕组和二次绕组一般没有电气上的连接没有电气上的连接,而是,而是通过铁心通过铁心中的磁场建立联系中的磁场建立联系。对于理想变压器,感应电对于理想变压器,感应电 压、电流和绕组匝数之间压、电流和绕组匝数之间 有如下关系:有如下关系:每台变压器可以长期流过的最大功率,规定为它自身的每台变压器可以长期流过的最大功率,规定为它自身的额定容量额定容量,以,以kVA来标定。来标定。风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备 3.2.1.2 变压器的等效电路变压器的等效电路 在电力系统的分析中,往往构
21、建变压器的等值电路模型,主在电力系统的分析中,往往构建变压器的等值电路模型,主要包括三个部分:要包括三个部分:一次绕组的电路一次绕组的电路、由磁路等值为电路的励、由磁路等值为电路的励磁电路及二次绕组的电路磁电路及二次绕组的电路风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备 3.2.1.2 变压器的等效电路变压器的等效电路 工程中可以采用工程中可以采用空载试验空载试验来测定来测定励磁阻抗励磁阻抗 变压器绕组的变压器绕组的漏阻抗漏阻抗可以通过可以通过短路试验短路试验测得。测得。在电气设计的工程实际中,为了简化计算,往往忽略掉励磁在电气设计的工程实际中,为了简化计算,往往忽略掉励
22、磁阻抗的影响,采用如下图所示的简化等效电路。阻抗的影响,采用如下图所示的简化等效电路。风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备 3.2.2 变压器的结构变压器的结构 大多数电力变压器均为大多数电力变压器均为油浸式变压器油浸式变压器,即以油作为绝缘和冷,即以油作为绝缘和冷却介质,所用的油一般为却介质,所用的油一般为矿物油矿物油。图3-7 变压器工作原理示意图1234567891011121314151、铁芯2、绕组3、调压分接头4、调压机构箱5、高压侧套管6、低压侧套管7、高压侧中性点8、压力释放阀门9、瓦斯继电器10、11、吸湿器12、主变端子箱13、散热风扇14、油
23、箱15、储油柜油浸式变压器由油浸式变压器由其核心部件(即其核心部件(即实现电磁转换的实现电磁转换的铁心和绕组铁心和绕组)、)、用于调整电压变用于调整电压变比的比的分接头分接头和分和分接开关以及接开关以及油箱油箱和辅助设备和辅助设备构成。构成。风电场电气系统风电场电气系统 风电场主要一次设备风电场主要一次设备 3.2.2.1 铁心铁心 变压器铁心的作用变压器铁心的作用是为经过一次绕组和二次绕组的磁通提供是为经过一次绕组和二次绕组的磁通提供低磁阻的磁路低磁阻的磁路 当磁通的大小和方向发生变化时,铁心材料的分子重新排布当磁通的大小和方向发生变化时,铁心材料的分子重新排布需要消耗一定的能量,这部分损耗
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