电气工程基础教案.docx
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电气工程基础教案
教学内容：
电气工程的历史和形成、地位和发展、展望。
教学重点：
电气工程学科的分学科分类的未来发展；；
教学难点：
电气工程学科所包含的内容，设备
教学方法：
课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念。
教学要求：
了解电气工程的历史和形成、电气工程的地位和发展、电气工程的展望。
1.1电气工程的历史和形成
电气工程是研究电磁领域的客观规律及其应用的科学技术，以电工科学中的理论和方法为基础而形成的工程技术称为电气工程。
根据电气工程学科的发展现状，可将其分为相对独立的五个分学科:
电力系统及其自动化技术、电机与电器及其控制技术、高电压与绝缘技术、电力电子技术和电工新技术。
其结构简图如下图所示。
1.2电气工程的地位和发展
1.电气工程学科的地位
电气工程学科在国家科技体系中具有特殊的重要地位；是国民经济的一些基本工业（能源、电力、电工制造等）所依靠的技术科学；是另一些基本工业（交通、铁路、冶金、化工、机械等）必不可少的支持技术；是一些高新技术的重要科技组成部分。
2.发展
解放前，我国电工科学的基础薄弱而落后。
建国后，有了多方面的巨大发展。
我国一次能源总产量达10.9亿吨标准煤（2000），居世界第三位，比1949年增长了44倍。
但电能比重仍较落后，只占国民经济总能源消耗的25%左右。
1949年,我国电力工业的发电量4.3亿kWh（世界排序第25位）、装机容量1850MW（世界排序第21位）。
2003年，分别增加到19052亿kWh和391GW（皆居世界第二位），各增大443倍和211倍。
截至2003年底，我国水电装机达92170MW，占发电总装机的24％，年发电量2830亿kWh，占总发电量的15％。
3.实例：
（1）电工制造业以技术复杂的汽轮发电机组为例：
我国1956年才试制成功6000kW机组；
2002年，已制成并投产900MW，即46年期间汽轮发电机组单机容量的制造能力扩大到1500倍，居于世界先进行列。
（2）在断路器和避雷器等电器制造方面：
解放时，我国只能制造10kV的充油式断路器；
目前，可制造500kV新型的SF6的断路器；从10kV管式避雷器提高到500kV氧化锌避雷器的制造水平，均已进入了世界先进行列。
（3）以大型电力变压器为例：
1923年，我国生产第一台三相电力变压器50kVA；
1948年，制成国内最大的6.6kV三相2500kVA电力变压器；
本世纪初，我国已能生产500kV的三相750MVA和成组1000kV/250MVA的单相电力变压器，按三相容量计算，制造能力扩大到300倍。
（4）在输电线路方面：
1949年，我国只有一回220kV线路，全部35kV以上输电线仅6475km；
1999年底，我国超高压输电500kV（含直流线路）达22927km，变电容量达80120MVA；220kV以上输电线路总长达495123km、变电容量达593690MVA。
（5）在电气化方面：
工业用电量占全部电能生产的71.5%（2001），每年新增发电量的64.6%用于工业用电，其中轻工业用电的年增长率已达14.6%。
农业用电增长也很快，自解放以来，平均每年以24%的高速增长，在全国2300个县中，已有2280个县用上了电。
第三产业用电（包括市政商业和交通通信）和居民用电量到2001年已达电能总生产量的24.61%。
（6）在电力电子和电工新技术领域：
1962年，我国试制出第一个晶闸管；
目前，已能批量生产电流达3000A、电压为8500V的晶闸管，并能研制生产和应用快速、全控器件或设备。
（7）在电力系统方面：
1949年，只有东北、京津唐和上海三个容量不大（分别为646，259和250MW）的电力系统；
2003年，已有11个电力系统发电装机容量超过20000MW，其中东北、华北、华东、华中电网发电装机容量均超过30000MW，华东、华中电网甚至超过40000MW，西北电网的装机容量也达到20000MW；
其他几个独立省网，如四川、山东、福建等电网发电装机容量超过或接近10000MW；
大区电力系统目前正进入各自加强和彼此互联以及进一步发展形成全国统一电力系统的过程中。
（8）在电工高技术的范围内：
我国也从空白状态发展形成多个相互配合的研究基地或重点实验室，并相继取得一些世人瞩目的研究成果。
例如1983年建成的8MV闪光－I强流脉冲电子束加速器和1990年建成的9MeV感应直线加速器、各种激光器、各种等离子体装置的研制和应用、超导技术、医疗用电工技术、电接触技术、新型电测技术等的成果（新装置、新仪器、新方法等）都使我国在电工新技术和新技术领域中从填补空白的阶段先后步入建立试验基地，开展系统性研究，力求迎头弥补差距的新阶段。
综上所述：
我国电工科学在传统的电力输送、电工制造或高电压技术方面，取得可喜的进展和成绩我国在电工新技术和高技术领域中也取得可喜的进展和成绩。
这说明我国的电工科学已发展成为国民经济发展中可靠的支柱。
1.3电气工程的展望
20世纪中叶以来，以电子信息技术为核心的新技术革命正在兴起，冲击着所有传统科学，包括基础科学、技术科学、综合科学，甚至社会科学等在内的广大领域。
有人统计，最近20年中的科技创造和发明超过了过去两千年中创造发明的总和。
在技术科学范围内，不少学科都发生了“旧貌换新颖”的变化，电工学科的巨大变化也十分显著。
1.在支持和加强电工科学技术发展时，应从宏观方面考虑到以下几个重要问题：
（1）电工科学是一门技术科学，只从纵向关系看，它与其所依赖的基础科学（如电磁学、力学、数学、化学等）和指引并支持的生产技术（包括设计、工艺、产品开发等）是一条连续线，但又各有分工。
（2）电工科学应指导电力和电工的生产应用．而生产应用应促进电工科学进步。
（3）当代学科发展户的相互交叉、渗透现象已成为科技发展中的重要促进因素。
电工科学中近些年来新出现的大量新分支、新技术、新方法和新理论就是明证。
（4）电工科技的应用面广，交叉范围大。
但科研资金的来源却不能和其应用范围相适应，相对较狭窄。
2.电气工程学科是在经验和教训中不断发展起来的：
著名例子是美加“8.14大停电”，2003年8月14日下午，美国的中西部和东北部以及加拿大的安大略省经历了一次大停电事故，其影响范围包括美国的俄亥俄州、密西根州、宾夕法尼亚州、纽约州、佛蒙特州、马萨诸塞州、康涅狄格州、新泽西州和加拿大的安大略省，损失负载大61.8GW，影响了5千万人口的用电。
停电在美国东部时间下午4时06分开始，在美国的一些地区两天内未能恢复供电，加拿大的安大略省甚至一周未能恢复供电。
这次停电事故引起了全世界的关注。
综合资料，基本可以判断本次大停电对全网而言属于潮流大范围转移导致的快速电压崩溃，同时伴有潮流大范围转移和窜动导致的断面线路相继跳闸和系统解列后的频率崩溃。
教学内容：
风能的特性及风能利用、风力发电机组及工作原理、风力发电机组的控制策略、
风力发电机组的并网运行和功率补偿、风力发电的经济技术性评价；
教学重点：
风力发电机组的控制策略、风力发电机组的并网运行和功率补偿
教学难点：
风力发电机组的控制策略
教学方法：
课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念。
教学要求：
了解风能的特性、掌握风力发电机组的工作原理及控制策略、掌握风力发电机组的补偿原理。
2.1风的特性及风能应用
2.1.1风的产生
风是地球上的一种自然现象，由太阳辐射热和地球自转、公转和地表差异等引起，大气是这种能源转换的媒介。
2.1.2风的特性与风能
优点：
简单、无污染、可再生
缺点：
稳定性、连续性、可靠性差，时空分布不均匀
1、风的表示法
风向、风速和风力
（1）风向的表示法
风吹来的地平方向定为风的方向。
风向一般用16个方位表示，也可以用角度表示。
观测风向的仪器，目前使用最多的是风向标。
（2）风速的表示法
由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。
国际上的单位为m/s或km/h。
（3）风速与风级
风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。
国际上采用的为蒲福风级，从静风到飓风共分为13个等级。
风力等级与风速的关系：
式中VN——N级风的平均风（m/s）；N——风的级数。
2、风的特性
（1）风的随机性
风的产生是随机的，但可以根据风随时间的变化总结出一定的规律。
如地面上夜间风弱，白天风强；高空中夜里风强，白天风弱，这个逆转的零界高度为100~150m。
我国大部分地区风随季节变化的情况是：
春季最强、冬季次之、夏季最弱。
（2）风随高度的变化而变化
不同高度风速的表达式：
式中ν——距地面高度为h处的风速（m／s）；
ν0——高度为h0处的风速（m／s），一般取h0为10m；
k——修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度等，其值约为0.125～0.5。
为了从自然界获取最大的风能，应尽量利用高空中的风能，一般至少比周围的障碍物高10m左右。
3、风能
（1）风能密度空气在1s内以速度ν流过单位面积产生的动能。
表达式为：
（2）风能空气在1s内以速度ν流过面积为S截面的动能。
（3）风能的特点优点：
蕴量巨大、可再生、分布广泛、没有污染
缺点：
密度低（只有水力的1/816）、不稳定、地区差异大
2.1.3风能的利用
风能的利用主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量，一般利用风推风车的转动以形成动能。
2.2风的特性及风能应用
2.2.1风力发电机组的结构及分类
1、风力发电机组的分类
风力发电机组的分类一般有3种，如下表所示。
从风轮轴的安装型式
水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组
按风力发电机的功率
微型（额定功率50～1000W）、小型（额定功率1.0～10kW）、中型（额定功率10～100kW）和大型（额定功率大于100kW）
按运行方式
独立运行和并网运行
2、风力发电机组的结构
风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备等技术原因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构。
（1）独立运行的风力发电机组
水平轴独立运行的风力发电机组主要由风轮（包括尾舵）、发电机、支架、电缆、充电控制器、逆变器、蓄电池组等组成，其主要结构见右图。
（2）并网运行的风力发电机组
并网运行的水平轴式风力发电机组由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成，其结构如右图所示。
（3）大型风力发电机组
并网运行的大型风力发电机组的基本结构，它由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱、机座、回转体、制动器）等组成。
2.2.2风力机及风能转换原理
1、风力发电机的结构
风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。
1、水平轴风力机：
旋转轴与地面呈水平状态
a.荷兰式
b.农庄式
c.自行车式
d.桨叶式
水平轴风力机的技术参数主要有：
风轮直径：
功率越大，直径越大
叶片数量：
高速风力机2~4片，低速风力机大于4片
风能利用系数：
0.15~0.5
起动风速：
3~5m/s
停机风速：
15~35m/s
输出功率：
几十W至几MW
2、垂直轴风力机：
旋转轴垂直于地面
a.萨窝纽斯式
b.达里厄式
c.旋翼式
2风力机的气动原理
现代风力机采用空气动力学原理，就像飞机的机翼一样。
风并非“推”动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种压差会产生升力，令风轮旋转并不断横切风流。
如果将一块薄板翼形放在气流中且与气流方向平行，由于翼片上表面弯曲，下表面平直，翼片上方气流速度比下方快，跟据流体力学的伯努利原理，上方气体压强比下方小，上下表面间的压差产生垂直于气流方向的升力。
当翼片与气流方向有夹角（该角称攻角或迎角）时，随攻角增加升力会增大，阻力也会增大，平衡这一利弊，一般说来攻角为8至15度较好。
超过15度后翼片上方气流会发生分离，产生涡流，升力会迅速下降，阻力会急剧上升，这一现象称为失速。
3、风力机的输出功率
当风吹向风力机的叶片时，风力机的主要作用是将风能转化为机械能，风力机的机械输出功率可用式子表示为：
4、风力机的调节与控制
风力机的功率调节方式有定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节三种。
（1）风力机的定桨距调节与控制
定桨距失速调节一般用于恒速控制，其风力机的结构特点是：
桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。
在风速超过额定风速后利用桨叶翼型本身的失速特性，维持发电机组的输出功率在额定值附近。
在流体力学中，失速是指翼型气动攻角增加到一定程度（达到临界值）时，翼型所产生的升力突然减小的一种状态。
翼型气动迎角超过该临界值之前，翼型的升力是随迎角增加而递增的；但是迎角超过该临界值后，翼型的升力将递减。
基本原理：
当桨距角固定不变时，随着风速的增加，增加到高于额定风速时，气流的攻角增大，气流与翼型分离，上下翼面压力差减小，致使阻力增加，升力减小，造成失速条件，其效率降低，从而达到限制功率的目的。
优点：
结构简单、性能可靠、部件小、造价低。
缺点：
机组的整体效率较低。
解决措施：
采用设计有两个不同功率、不同极对数的双速异步发电机。
（2）风力机的变桨距调节与控制
变桨距风力机的整个叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片的攻角在一定范围（0～90º）变化，变桨距调节是指通过变桨距机构改变安装在轮毂上的叶片桨距角的大小，使风轮叶片的桨距角随风速的变化而变化，一般用于变速运行的风力发电机，主要目的是改善机组的起动性能和功率特性。
根据其作用可分为三个控制过程：
起动时的转速控制，额定转速以下（欠功率状态）的不控制和额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制。
①起动时的转速控制
变桨距风轮的桨叶在静止时，桨距角β为90º，当风速达起动风速时，桨叶向0º方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风力机获得最大的起动转矩，实现风力发电机的起动。
在发电机并入电网之前，给定变桨距系统一个转速参考值，根据转速参考值和反馈的转速信号比较来调整桨距角，进行速度闭环控制。
②额定转速以下（欠功率状态）的不控制
发电机并网后，当风速低于额定风速时，发电机运行于额定功率以下的低功率状态，称为欠功率状态。
早期的变桨距风力发电机组对此状态不作控制，控制器将叶片桨距角置于附近，不作变化，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。
为了改善低风速时的桨叶性能，近几年来，在并网运行的异步发电机上，利用新技术，根据风速的大小调整发电机的转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以优化功率输出。
③额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制
当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，使桨距角β向迎风面积减小的方向转动一个角度，β增大，功角α减小，如图所示。
从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使功率输出保持在额定值附近，这时风力机在额定点的附近具有较高的风能利用因数。
2.2.3风力发电机及工作原理
在由机械能转换为电能的过程中，发电机及其控制器是整个系统的核心。
独立运行的风力发电机组中所用的发电机主要有直流发电机、永磁式交流发电机、硅整流自励式交流发电机及电容式自励异步发电机。
并网运行的风力发电机机组中使用的发电机主要有同步发电机、异步发电机、双馈发电机、低速交流发电机、无刷双馈发电机、交流整流子发电机、高压同步发电机及开关磁阻发电机等。
1、独立运行风力发电机组中的发电机
独立运行的风力发电机一般容量较小，与蓄电池和功率变换器配合实现直流电和交流电的持续供给。
独立运行的交流风力发电系统结构如下图所示。
（1）直流发电机
直流电机典型结构如图示。
直流发电机可直接将电能送给蓄电池蓄能，可省去整流器，随着永磁材料的发展及直流发电机的无刷化，永磁直流发电机的功率不断做大，性能大大提高，是一种很有发展前途的发电机。
（2）永磁式交流同步发电机
永磁式交流同步发电机的转子上没有励磁绕组，因此无励磁绕组的铜损耗，发电机的效率高；转子上无集电环，发电机运行更可靠；采用钕铁硼永磁材料制造的发电机体积小，重量轻，制造工艺简便，因此广泛应用于小型及微型风力发电机中。
（3）硅整流自励式交流同步发电机
硅整流自励式交流同步发电机一般带有励磁调节器，通过自动调节励磁电流的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响，延长蓄电池的使用寿命，提高供电质量。
（4）电容自励式异步发电机
电容自励式异步发电机是在异步发电机定子绕组的输出端接上电容，以产生超前于电压的容性电流建立磁场，从而建立电压。
其电路示意图如下图所示。
2、并网运行的风力发电机组中所用的发电机
（1）异步发电机
定子：
三相绕组，可采用星形或三角形联结。
转子：
绕组为笼型或绕线型。
采用定子绕组上并接电容器来提供无功电流建立磁场，发电机转子的转速略高于旋转磁场的同步转速，并且恒速运行。
通常，处于并网运行的较大容量异步发电机的转子转速一般在（1~1.05）ns之间。
风力异步发电机并入电网运行时，只要发电机转速接近同步转速就可以并网，对机组的调速要求不高，不需要同步设备和整步操作。
异步发电机的输出功率与转速近似成线性关系，可通过转差率来调整输出。
（2）同步发电机
a.普通同步发电机
定子：
定子铁心和三相绕组。
转子：
转子铁心、转子绕组、集电环、转子轴等组成；有隐极式和凸极式两种。
凸极式同步发电机结构简单、制造方便，一般用于低速发电场合。
隐极式同步发电机结构均匀对称，转子机械强度高，可用于高速发电。
转子上的励磁绕组经集电环、电刷与直流电源相连，通以直流励磁电流来建立磁场。
工作原理：
同步发电机在风力机的拖动下，转子以转速n旋转，旋转的转子磁场切割定子上的三相绕组，在定子绕组中产生频率为f1的三相对称的感应电动势和电流输出，从而将机械能转化为电能。
当发电机的转速一定时，同步发电机的频率稳定，电能质量高；同步发电机运行时可通过调节励磁电流来调节功率因数，既能输出有功功率，也可提供无功功率，因此被电力系统广泛接受。
在风力发电中，由于风速的不定性使得发电机获得不断变化的机械能，给风力机造成冲击和高负载，对风力机及整个系统不利。
为了维持发电机发出的电能频率与电网频率始终相同，发电机的转速必须恒定，这就要求风力机有精确的调速机构，以保证风速变化时维持发电机的转速不变，即等于同步转速。
（3）双馈异步发电机
双馈异步发电机是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变频器有交－交变频器、交－直－交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三种。
双馈异步发电机工作原理：
异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频率关系可表示为：
式中
f1——定子电流的频率（Hz），f1=pn1/60，n1为同步转速；
p——发电机的极对数；
n——转子的转速（r/min）；
f2——转子电流的频率（Hz），因f2=sf1，故f2又称为转差频率。
根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以有三种运行状态：
1）亚同步运行状态。
此时n0，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速同方向，功率流向如图所示。
2）超同步运行状态。
此时n>n1，转差率s<0，转子中的电流相序发生了改变，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方向，功率流向如图所示。
3）同步运行状态。
此时n=n1，f2=0，转子中的电流为直流，与同步发电机相同。
双馈异步发电机的转子通过双向变频器与电网连接，可实现功率的双向流动，功率变换器的容量小，成本低；既可以亚同步运行，也可以超同步运行，因此调速范围宽；可跟踪最佳叶尖速，实现最大风能捕获；可对有功功率和无功功率进行控制，提高功率因数；能吸收阵风能量，减小转矩脉动和输出功率的波动，因此电能质量高，是目前很有发展潜力的变速恒频发电机。
（4）无刷双馈异步发电机
无刷双馈异步发电机（BrushlessDoubly－FedMachine，简称BDFM）的基本原理与双馈异步发电机相同，不同之外是取消了电刷和集电环，系统运行的可靠性增大，但系统体积也相应增大，常用的有级联式和磁场调制型两种类型。
（5）开关磁阻发电机
开关磁阻发电机又称为双凸极式发电机（简称SRG），定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成，定子极数一般比转子的极数多，转子上无绕组，定子凸极上安放有彼此独立的集中绕组，径向独立的两个绕组串联起来构成一相。
3、风力发电机组的控制策略
（1）风力发电机组的恒速恒频控制策略
在风力发电中，当风力发电机组与电网并网时，要求风电的频率与电网的频率保持一致，即保持频率恒定。
恒速恒频即在风力发电过程中，保持风车的转速（也即发电机的转速）不变，从而得到恒频的电能。
目前，在风力发电系统中采用的异步发电机多属于恒速恒频发电机组。
为了适应大小风速的要求，一般采用两台不同容量、不同极数的异步发电机，风速低时用小容量发电机发电，风速高时则用大容量发电机发电。
但这也只能使异步发电机在两个风速下具有较佳的输出系数，无法有效地利用不同风速时的风能。
（2）风力发电机组的变速恒频控制策略
在风力发电过程中让风车的转速随风速而变化，而通过其它控制方式来得到恒频电能的方法称为变速恒频。
变速恒频风力发电系统的基本控制策略一般确定为：
①低于额定风速时，跟踪最大风能利用系数，以获得最大能量；
②高于额定风速时，跟踪最大功率，并保持输出功率稳定。
变速恒频风力发电机组的调节控制过程：
（1）起动时通过调节桨距角控制发电机的转速，使发电机转速在同步转速附近，寻找最佳时机并网；
（2）并网后，在额定风速以下，通过调节发电机的电磁制动转矩使发电机转子的转速跟随风速的变化，保持最佳叶尖速比，确保风能的最大捕获，表现为跟踪控制问题；
（3）在额定风速以上，采用发电机转子变速和桨叶节距双重调节，利用风轮转速的变化，存贮或释放部分能量，限制风力机获取能量，提高传动系统的柔性，使风力发电机保持在额定值下发电，保证发电机输出功率的更加平稳。
双馈异步发电机变速恒频风力发电系统
4、风力机偏航系统的调节与控制
主要功能：
一是使风轮跟踪方向的变化，利于最大风能捕获；
二是当机舱的电缆发生缠绕时自动解缆。
一般在风轮的前部或者机舱一侧，装有风向仪，当风轮的主轴与风向仪指向偏离时，控制器开始计时，这种方向偏差达到一定时间后，控制器控制偏航电机或者偏航液压马达将风轮调整到与风向一致的方向。
偏航角度大小的检测通过安装在机舱内的角度编码器实现。
当紧急停车时，需要通过偏航调节使机舱经过最短的路径与风向成90度夹角。
2.3风力发电机组的并网技术
由于风能是一个不稳定的能源，风力发电本身难
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