直驱永磁风力发电机控制系统的研究 - 图文

高了风能的利用范围。直驱式永磁风力发电机代替传统风力发电机是风力发电发展的趋势，因此它具有广阔的发展和应用前景，国外形容其为风力发电的一场革命。

直驱风力发电系统中，变流器是发电机所发的电能馈送至电网的唯一通路，它是将发电机发出的变压变频的电能转换成恒压恒频的电能的装置，它能实现对发电机输出的电流、功率因数等的快速调节，减少对电网的谐波污染，是直驱型风力发电系统的一个重点和难点，它对于整个系统的稳定、高效运行很重要，掌握这项技术，对于推动我国风力发电事业的发展，增强风力发电领域的自主创新能力，具有十分重要的意义。

2.直驱永磁风力发电机控制系统的发展历史，国内外研究现状及发展趋势

直驱永磁式电机起源于1995年，当时美国纽约州的一家研究机构设计出了一种新型可变磁阻发电机，它用风力发动机中的磁性装置取代了机械齿轮箱。该设计的特点在于，可变磁阻电机的极结构能够承受各个方向操作而不需要支付箱齿轮箱那样的费用。在2000年，加拿大M.eng. M.Dubois博士提出将风力发电机中的齿轮箱置于电机和转子之间会对部分工作负载的效率产生负面影响，而且较易受损耗，若使用一个和风力机转速相同的电机就可以免去齿轮箱，并对直驱式低速旋转电机应用于风力发电机的一些问题进行了研究。但直到1997 年，市场上才开始出现兼具无齿轮、变速变桨距等特征的风力机，容量约在330kW~2MW，并且多由德国于1992年开始制造。在2000年，瑞典ABB公司成功研制了3MW的巨型可变速风力发电机组，它包括了永磁式转子结构的高压风力发电机Wind former，容量为3MW、高约70m、风扇直径约90m。在2003年，Okinawa电力公司开始运行由日本三菱重工首度完全自行制造的2MW级风机MWT-S2000型风力机，该风机采用了小尺寸的变速无齿轮永磁同步电机和新型轻质的叶片。由此可见，直驱式无齿轮风力发电机始于20多年前，却在近几年又重新引起研究人员的极大兴趣，并将该技术积极应用于产品推向风力发电市场，德国、美国、丹麦都是在该技术领域中发展较为领先的国家。其中德国西门子公司开发的直驱式无齿轮同步发电机被用在世界最大的挪威风力发电场，据称效率达98%[1]。

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作为一个新兴能源行业，风电业在我国起步并不算晚，但由于诸多原因，国内的风力发电机研究进展并不快。在1996年我国制订“乘风计划”，旨在鼓励提高中大型风力发电机制造技术和国产化率，2001年国家863计划能源技术领域后续能源技术主题“兆瓦级风力发电机组及其关键部件研制”课题开始实施。2007年11月，中国资源综合利用协会可再生能源专委会、国际环保组织绿色和平和全球风能理事会于上海国际风能大会上共同发布了《中国风电发展报告2007》，报告指出，自1995年至2006年，我国风电装机容量的年平均增长率为46.8%；截至2006年底，我国共建设风电场100多个，风电装机容量己达2.6GW，跃居世界第六位。

2005年4月24日，我国第一台国产兆瓦级风力发电机在乌鲁木齐市达坂城风力发电场完成吊装，投入运行。这台1.2MW直驱式永磁风力发电机是我国第一台整机设计、制造并拥有自主知识产权的兆瓦级风机，它的运行意味着我国风机设计制造能力已达到世界先进水平。虽然成绩显著，但我们国内的风机市场占有率并不高，而且现在世界上多数风电发达的国家都建有国家投资的研发服务机构，专门为市场中的企业发展提供技术和政策支持，如丹麦的国家实验室(Risoe)、德国的风能研究所(DWEI)等[2]。

新疆金风公司与国外合作已成功研制1.2 MW～1.5 MW直驱型风力发电机组并成功实现并网运行；丹麦BOUNS公司(现已被西门子收购)选择了无刷感应发电机配备全功率变流器；GE风能公司也在其最新的2.X系列(2.3 MW，2.5 MW，2.7 MW)中把双馈发电机换成了带全功率变流的同步发电机，GE风电系统的逐步转型是为了适应新的“电网故障穿越”规则。

我国企业拥有直驱风机的自主知识产权，结合《关于风电建设管理有关要求的通知》中风机国产化率要求及国内风机应用领域逐步扩展至低风速区域的要求，我国永磁直驱风机占全国新增风机的比例不断提高。预计至2014年，我国永磁直驱风机产量将达到4000台，占2014年新增风机总量53%，其中1.5兆瓦永磁直驱风机和2.5兆瓦永磁直驱风机各占50%。

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3.风电机组的控制技术

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。恒速恒频是指在风力发电过程中，保持风力机的转速不变，从而得到恒频的电能；变速恒频是指在风力发电过程中，让风力机的转速按照一定的关系随风速而变化，并通过其他控制方式得到恒频的电能。

（1）恒速恒频发电系统

此系统中，多采用龙型异步电动机作为并网运行的发电机，异步发电机的转子速度高于同步转速，当风力机传给发电机的机械功率随风速的增加而增加时，发动机的输出功率及其反转距也增大，运行点发生了变化。若转子速度超过同步转速3%-5%时，发电机进入不稳定区，产生的反转距减小，导致转速迅速升高，引起飞车，后果严重。

另外，对恒速风机来说，当风速跃升时，巨大的风能将通过风轮机传递给主轴，齿轮箱和发电机等部件，在这件部件上产生很大机械应力，如果上述过程重复出现会引起这些部件的疲劳损坏，因此设计时不得不加大安全系数，从而导致机组重量加大，制造成本增加，而当风力发电机采取变速运行时，由风速跃升所产生的巨大风能，一部分被加速旋转的风轮所吸收以功能的形式储存于高速运转的风轮中，从而避免主轴及传动机构承受过大扭矩和应力，当风速下降时，在电力电子装置调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能送入电网、风轮的加速、减速对风能的阶跃性变化起到缓冲作用使风力机内部能量传输部件应力变化比较平稳，防止破坏性机械应力产生，从而使风电机组运行更加平稳和安全。

异步发电机并网运行时，一方面向电网输出有功功率，另一方面又必须从电网吸收无功功率。异步发电机向电网输出的电流大小及功率因数，取决于转差率及电机的参数，而转差率与异步发电机的负荷大小有关，电机的参数无法改变，风力发电机多采用机端并联电容器以提高功率因数。运行中当发电机和并联电容器与电网突然断开时，电容器的过励和异步发电机的转速上升可能引起有害的自励现象。自励产生的过电压可能危及发电机和电容器的绝缘，必须予以重视。一方面应从最不利的过速情况来选择电容器的电容量，另一方面在保护线路上要采

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取措施。这种运行方式除了有风能利用系数低的弊端，主要弊端还是当风速跃升时，巨大的风能将通过风轮叶片传递给主轴、齿轮箱和发电机部件，在这些部件上产生很大的机械应力，上述过程的重复出现将引起这些部件的疲劳损坏。因此，在设计时不得不加大安全系数，从而导致机组重量增大，制造成本增加。

（2）变速恒频发电系统

变速恒频发电系统相对于恒速恒频发电系统，主要有以下优点： A风能利用系数高

利用变速恒频发电方式，风力机就可以改变恒速运行为变速运行。这样就可能使风力机的转速随风速而变化，使其保持在一个恒定的最佳叶尖速比，使风力机的风能利用系数在额定风速以下的整个运行范围内都处于最大值，从而可比恒速运行获得更多的能量。

B避免主轴及传动机构承受过大的扭转和应力，减少部件磨损

这种变速机组可适应不同的风速区，大大拓宽了风力发电的地域范围。即使风速跃升时，所产生的风能也被风力机吸收，以动能的形式储存于高速运转的风轮中，从而避免了主轴及传动机构承受过大的扭转及应力。在电力电子装置的调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能，送入电网，从而使能量传输机构所受应力比较平稳，风电机组运行更加平稳和安全。

C低风速下以低转速运行，降低噪音

恒速运行时风力机转速不能太高，因为在低风速时，环境噪音不大，掩盖不了叶片的气动噪声，所以恒速风力机的叶尖速度一般局限在60m/s左右，相应的叶尖速比在7.5左右。由于空气动力学的原因，风力机转速越低，叶片尺寸就必须越大；而变速机组由于风力机转速与风速成比例变化，所以较少受低风速时噪音的限制，设计时可以采用更大的叶尖速比。同样由于空气动力学原理，较大的叶尖速比，可将叶片做的更薄，从而降低制造成本。变速机组即使设计叶尖速比大于恒速机组，低风速时的转速仍会大大低于恒速机组，因而噪声低，更具有竞争性。

D改善系统的功率因数

目前的恒速机组，大部分使用异步发电机，它在发出有功功率的同时，还需

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