永磁同步机变速恒频发电系统研究中级职称.docx

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永磁同步机变速恒频发电系统研究中级职称

晋升中级职称论文

永磁同步机变速恒频发电系统研究

单位：

哈飞工业

下属单位：

风电公司

姓名：

林志强

2011年8月17日

第一章绪论

随着全球常规能源的逐步衰竭，节能和可再生能源的利用成为了热门课题。

风能作为一种洁净的可再生能源受到了人们的青睐。

然而传统的风力发电（是风能的主要利用形式）系统对风能的利用并不充分，造成了一定风能资源的浪费。

针对过去恒速恒频发电方式的不足，各国学者开始研究各种变速恒频的发电策略。

变速恒频发电方式的主要优点是能根据不同的风速调整发电机的转速使风力机能捕捉到最大的风能。

1.1风力机对发电机及发电系统的一般要求

风力发电包括了由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程，发电机及其控制系统承担了后一种能量转换任务，它不仅直接影响这个转换过程的性能、效率和供电质量，而且也影响到前一个转换过程的运行方式、效率和装置结构。

因此，研制和选用适合于风能转换用的、运行可靠、效率高、控制及供电性能良好的发电机系统是风力发电技术的一个重要部分。

风速和风向是随机变化的，为了高效转化风能，要求叶轮转速随风速相应变化，保持最佳的叶尖速比。

恒速恒频发电机系统是较简单的一种，一般都采用普通异步发电机作为主要发电单元。

另一种是变速横频发电机系统，这是20世纪70年代中期以偶逐渐发展起来的一种新型风力发电系统。

叶轮可以变转速运行，可以在很宽的风速范围内保持近几乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力机的运行效率，从风中获取的能量可以比横转速风力机高得多。

1.1.1恒速恒频发电机系统

恒速恒频发电机系统一般来说比较简单，发电机一般采用普通工业异步电机，如图1.1所示：

图1.1恒速恒频发电机系统

1.1.2变速恒频发电机系统

变速恒频发电机系统主要优点在于叶轮以变转速运行，可以在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力机的运行效率，此外，这种风力机在结构上和使用中还有很多的优越性，利用电力电子装置是实现变转速运行最佳化的最好方法之一。

变速恒频发电机系统的转速控制通常是靠变频器来实现的，根据发电机形式的不同，其并网方式也有所不同。

因此，变速恒频发电机系统按照发电机的种类不同也可以把变速恒频发电机系统分为双馈式、直驱式、半直驱式三种。

1.1.2.1双馈式变速恒频发电机系统

双馈式发电机系统一般都采用双馈异步发电机，传动系统结构如图1.2所示。

发电机定子与电网相连，变频器与发电机转子和电网相连。

当发电机转速低于额定转速时，发电机通过变频器从电网吸收功率，当发电机高于额定转速时，发电机通过变频器向电网输送功率。

所以变频器功率仅为发电机功率的1/3。

图1.2双馈式变速恒频发电机系统

1.1.2.2直驱式风力发电机

直驱式风机一般都采用永磁同步发电机，传动系统结构如图1.3所示。

直驱式风机无齿轮箱所以它具有传动效率高，发电机输出功率全部经过变频器后并入电网，发电机输出不稳定频率的电能经过变频器后转化为稳定频率的电能，变频器功率等同于发电机功率。

图1.3直驱式变速恒频发电机系统

1.1.2.3半直驱式风机

基于双馈式风机和直驱风机各自优缺点考虑，人们研发一种新型的风机，它采用了相对可靠的一级行星齿轮和适当的增速比，这一级行星齿轮与发电机集成在一起，构成了发电机单元。

风机的叶轮和发电机单元直接相连接，使风机所用的部件减少，这样就兼有前面所提到的两种风机的优点：

体积小，重量轻，效率高，同时可靠性高，可维护性好。

这种新的风机技术称为MULTIBRID技术，即半直驱风机。

MULTIBRID技术的核心是采用一个一级行星增速器与一个永磁同步低速发电机相集成，构成一个发电单元，一级行星齿轮的增速比为5-10,降低了发电机的输出扭矩。

传动系统结构如图1.4所示。

图1.4半直驱变速恒频发电机系统

1.2风力发电机组技术的发展

随着风电技术的不断发展和创新，风机正向着大容量、优良的发电质量、提高材料利用率、减少噪音、降低成本、提高效率发展。

20世纪80年代初，商品化的风电机组的单机容量以55kW的小型风力机组为主；20世纪80年代中期-90年代初期，发展到以100kW-450kW为主，到20世纪90年代中后期，则发展到以500kW-1MW级的大型风力机组为主。

目前，大型风力机组并网发电已成为风能利用的主要形式。

在各类研究中，永磁同步机变速恒频发电系统作为一种极具优势的方案受到了越来越多的重视。

这是因为：

1）永磁同步发电机性能好，效率高，无需励磁，与其他类型电机相比较尺寸小，重量轻；

2）永磁同步发电机的额定转速可以做到很低，这样便可与风力机直接耦合，省去了噪声大、维护不方便且昂贵的齿轮箱；

3）拓扑结构可以比较简单，控制方法相对容易掌握。

本文重点以永磁同步机变速恒频发电机系统为例，介绍变速恒频发电机系统的控制方法。

第二章变速恒频发电机系统控制技术

2.1风力发电机控制系统组成

风力发电机控制系统主要控制风机运行的各个阶段的转换策略，例如静止到空转、空转到正常风速下的功率输出、正常风速到飓风状态的风速停机等。

如图2.1所示为风机控制系统组成。

图2.1风机控制系统组成

2.2叶尖速比理论

风机叶片吸收风能在理论上有个最大值Cp=0.593，实际运行时不会超过这个值。

从而引入叶尖速比概念：

叶尖速比

；

——为叶轮转速；v——风速。

通过风洞试验得到结论如图2.2所示：

图2.2叶尖速比与功率系数关系曲线

从图中我们可以看出叶尖速比在6—8之间风机功率系数Cp值最大。

所以风力发电机运行在叶尖速比为6-8之间时叶轮吸收的风能最大。

2.3变速恒频风力发电机运行状态

变速恒频风力发电机组根据变桨系统所起到的作用可分为三种运行状态，即风力发电机组起动状态、欠功率状态和额定功率状态。

如图2.2所示：

图2.2风机功率与叶片桨角对应关系

2.3.1起动状态

变桨叶轮的桨叶在静止时，桨叶角度为90度，这时气流对桨叶不产生转矩，整个桨叶实际上是一块阻尼板。

当风速达到起动风速时，桨叶向0度转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，叶轮开始起动。

在发电机系统并入电网之前，风机控制系统以发电机转速信号作为速度参考值，使用变桨系统作为控制叶片的执行机构来控制桨叶的角度，最终实现控制发电机转速使之平稳上升。

为了确保并网平稳，对电网产生尽可能小的冲击，变桨系统可以在一定时间内，保持发电机的旋转在并网转速附近，寻找最佳时机并网。

2.3.2欠功率状态

风力发电机欠功率状态就是风机并网以后，由于风速低于额定风速，发电机在额定功率以下的低功率运行状态。

如图2.2所示工作区1。

此工作区域风速在切入风速与额定风速之间变化，发电机转速也随风速在并网转速与额定转速之间变化。

此工作区变桨系统桨叶角度始终处于0度位置。

这时变速恒频风力发电机组与恒速恒频风力发电机组相同，其功率输出完全取决于桨叶的气动效率。

变速恒频风力发电机组为了改善低风速时桨叶的气动性能，在控制方法上采用了最佳叶尖速比的控制策略。

根据风速的大小，调整发电机的转速，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以获取最大的Cp值，从而得到最大的功率输出。

2.3.3额定功率状态

当风速到达或超过额定风速后，风力发电机组进入额定功率状态。

如图2.2所示工作区2，发电机达到额定转速且输出额定功率。

在此区间，控制系统以发电机转速作为直接控制桨叶角度的变量，当风速变化时，变桨系统调节桨叶角度以控制发电机转速恒定在额定转速附近。

随着风电行业的快速发展，可利用的风资源也越来越少。

如今剩下的风场大部分都是二类、三类风场，而在这种风场中风机大部分的工作时间都是在欠功率下运行，速恒频风力发电机组的优势越来越趋明显，所以变速恒频风力发电机组在目前已经成为市场上的主流机型，而且它还在向着增大单机容量这个方向发展。

因此，大风机在欠功率状态下对发电机系统的控制显得尤为重要。

第三章永磁同步机变速恒频发电系统

3.1永磁同步机变速恒频发电系统构成

变速恒频风力发电机组一般只有直驱式、半直驱式风机才使用永磁同步发电机。

永磁同步发电机无需励磁绕组，且结构简单、体积小，所以在大风机的制造上显得十分具有优势。

永磁同步发电机的输出频率通常低于50Hz，而且输出频率和电压不恒定，无法满足工业用电要求，所以必须要添加整流逆变器。

常见的方案有采用背靠背双PWM变流器，如图3.1所示。

变流器把永磁同步机输出的交流电转变成符合要求的50Hz交流电馈送回电网。

图3.1永磁同步机并网形式

叶轮的转速是无法直接控制的，但叶轮与发电机之间都是机械联接，所以只要控制发电机的转速就可以控制叶片的转速。

所以风机转速控制的目的主要就是控制发电机的转速，这就是转速控制的主要控制部分。

3.2永磁同步发电机运行特性

同步发电机通过转矩平衡向原动机索取机械功率，再通过电枢回路的电压平衡向负载输出电功率。

1）转矩平衡

T1—原动机转矩、T0—空载制动转矩、Te—电磁转矩

空载T1=T0

负载T1=T0+Te

2）电压平衡

=

3）功率平衡

原动机————发电机————负载

同步发电机并网运行中必须随负载的变化及时调节原动机的输入转矩T1和励磁电流If，以保证转速（频率）和电压等于额定值。

永磁同步发电机由于采用了钕铁硼作为磁极的磁性材料，所以它没有励磁绕组。

永磁同步发电机的转矩控制是通过控制发电机的定子输出电流来实现的。

风力发电机不同于普通并网的汽轮发电机，在风力发电机并网运行时，原动机输入转矩T1（叶轮从风能中获取的转矩）是不可控的，可控的是风力发电机所带的负载。

风速变化时及时通过变频器调节发电机的电磁转矩（按设计叶尖速比），从而调节风力发电机所带的负载大小。

保证风力发电机能够稳定运行，且按照设计的叶尖速比运行。

3.3全功率变频器

永磁同步电机的转速一般都比较低，且低于工业上要求的并网频率50Hz，所以永磁同步发电机并网运行必须要通过全功率变频器与电网连接。

发电机发出的频率变化的交流电，经过IGBT整流电路变为直流，然后经过IGBT逆变电路转变为频率50Hz的交流电送入电网。

同时变频器还可以根据电网要求发出调节发电机的功率因数。

风力发电机组变流器由整流电路和逆变电路组成，如图3.2所示：

图3.2变流器原理图

3.4.1全功率变频器整流电路

整流电路主要作用是控制发电机转速及功率因数。

图3.3为整流电路原理图

图4.2整流电路原理图

在整流电路中，C1的电压大小的变化反映了负载的变化；发电机额定运行时，负载为额定负载；当负载增大时，C1电压降低；当负载减小时，C1电压升高。

控制器根据C1电压的变化及时调整发电机输出功率，保证发电机输出功率与负载相匹配。

在风力发电中，风时变化的量，所以我们控制的目标就是控制负载的变化。

根据叶尖速比的设计理念我们得出了风机吸收的最大功率，但这个功率是随风速变化而变化的。

控制器根据发电机转速的变化，改变发电机绕组的输出电流，增加发电机的电磁转矩，即增加负载并同时维持C1电压稳定。

发电机转速增加，负载增加，C1电压不变；发电机转速降低，负载减小，C1电压不变。

3.4.2全功率变频器逆变电路

逆变电路变频器与电网直接相连，逆变电路将整流电路整定的直流电流转换为标准电网下的交流电，并送入电网维持风机稳定的向电网输送电能。

逆变电路在变频器运行中先启动，首先将直流环节充电，然后将整流电路并入电网，完成了变频器并网过程，并网之后建立了图3.3所示C1电压。

逆变电路启动完成后整流电路启动，并进入完整的发电过程。

永磁电机采用了全功率变频器，并没有发电机与电网直接耦合连接，所以这种并网形式对电网的影响很小，且电能品质相对较高。

在实际应用中，当风速在启动风速上下频繁变化时，发电机输出功率介于零功率上下波动，全功率变频器可以仍然与电网相连，这样就避免了变频器频繁并网的环节，减少对电网的冲击。

第四章永磁同步机变速恒频发电机系的转速控制

4.1风力发电机转速控制

风机转速控制方法主要有直接转速控制和间接转速控制。

直接转速控制是根据风速产生的扭矩直接控制发电机的电磁扭矩，所以风速必须是个比较准确的值，但在实际中测量的风速偏差很大，所以这种直接转速控制的精度就很难保证。

间接转速控制就是根据发电机的转速变化改变发电机的电磁转矩，从而控制发电机转速，使叶轮转速变化跟踪风速变化，保证最佳叶尖速比。

由上面我们得出的公式

可以看出，发电机转速的平方与发电机电磁扭矩成正比关系，即

。

如图4.1所示：

图4.1间接转速控制

4.2最大功率点跟踪控制方案

前面我们讲到最佳的叶尖速比

值可以获取最大的Cp值。

如何获得最佳叶尖速比成为转速控制的关键环节，在

风速可以从风速仪获取。

在实际应用中风的扰动很大，且风速的高频分量不能作为控制发电机转速的变量加载到控制模型中，所以风速在控制系统中只能作为一个绕动量来考虑。

通过数学模型的变换，我们可以得到一个没有风速的方程式，这样就增加了控制的准确性，如下所示：

发电机功率为

同时

叶尖速比

所以得：

在方程式里作为一个常数存在，我们也称之为机器常数。

根据这个常数，可以计算得出发电机转速与扭矩对应关系，如图4.2所示，风机主控系统根据发电机转速的变化及时调节发电机电磁转矩，使风机吸收的风能与发电机所带负载相匹配；并控制风机按最佳叶尖速比运行。

图4.2转矩与转速关系

在实际应用中，为了简化控制过程，我们常采用查表的方法来控制发电机的转矩，如图4.3所示：

图4.3发电机实际控制中的扭矩曲线

控制系统将转速与扭矩函数分成若干部分，每个部分发电机转速与扭矩都成线性对应关系。

这样以来控制系统只要将发电机转速作为一个变量，通过图4.3扭矩曲线就可以迅速得出发电机应该输出的扭矩期望值。

风机主控系统把这个期望值传递给变发电机转矩的执行机构（变频器），从而实现了对发电机的转矩控制。

第五章风力发电技术未来展望

新型材料运用，设计水平的提高以及控制技术的改进都将使得风电机组功率曲线不断改善，运行可靠性不断提高，自动化程度不断加深。

结构简单、容量大、稳定性和适应性好、发电效率高、寿命长、智能化程度高及发电成本低皆是未来的风电机组不断的追求。

总体来说具体发展趋势呈现以下几个方面。

5.1风场的选址

风力大小与地形、地理位置等因素有关，如今的风电场玄珠也逐渐呈现以下一个趋势。

由强风带向弱风带过渡，启动风速低，变速恒频控制技术的应用使得风机在低风速下能够最大限度地捕获风能。

由陆地向海上迁移，海平面十分平滑，因此风速较大，且具有稳定的主导风向，允许安装单机容量更大的风机。

5.2风电机组技术

当前风电机组的主要发展方向是质量更轻，结构更具有柔性，单机容量更大。

从目前发展来看，变速恒频风力发电机已经取代了恒速恒频发电机。

而变速恒频发电机系统中直驱式风机的市场份额会越来越大。

5.3风电机组的并网

用同步发电机发电是今天最普遍的发电方式，变频器的使用解决了风机转速和电网频率的耦合问题。

通过对变频器电流的控制，就可以控制发电机转矩，从而控制风力机的转速，使之运行在最佳状态。

相同条件下，同步电机比异步电机调速范围更宽。

如今电网中风电的所占的比例越来越大，传统的风机已经出现了在电网故障时大面积脱网故障。

为此国家电网公司在2011年初提出了并网风机要具备低电压穿越技术。

采用了同步发电机和全功率变频器的风机在实现低电压穿越技术上更容易一些。

从以上几点来看，永磁同步机变速恒频发电系统在未来的风机发展中更具有相当大的优势。

首先，它解决了低风速下吸收风能效率的问题；其次还解决了单机容量增大后整机重量的问题；同时还解决了在运行中并网对电网造成的冲击问题。

相信未来永磁同步机变速恒频发电系统在未来会增大风电在电网中所占的比例，为人类节约更多的自然资源。

参考文献

[1]李俊峰.<<风力12在中国>>，北京：

化学工业出版社，2005

[2]（德）JP.Molly.风能理论、应用与测试。

张世惠译。

[3]（法）D.勒古里雷斯著.风力机的理论与设计，施鹏飞译，北京：

机械工业出版社，1985

[4]孙旭东、王善铭著.电机学，北京：

清华大学出版社，2006

[5]王兆完,黄俊.<<电力电子技术>>,机械工业出版社,第四版,2001