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1、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I目录第一章 绪论- 1 -1.1 风力机对发电机及发电系统的一般要求- 1 -1.1.1恒速恒频发电机系统- 1 -1.1.2变速恒频发电机系统- 2 -1.2 风力发电机组技术的发展- 4 -第二章 变速恒频发电机系统控制技术- 6 -2.1风力发电机控制系统组成- 6 -2.2叶尖速比理论- 6 -2.3变速恒频风力发电机运行状态- 7 -2.3.1起动状态- 8 -2.3.2欠功率状态- 8 -2.3.3额定功率状态- 8 -第三章 永磁同步机变速恒频发电系统- 10 -3.1
2、永磁同步机变速恒频发电系统构成- 10 -3.2永磁同步发电机运行特性- 10 -3.3全功率变频器- 11 -3.4.1全功率变频器整流电路- 12 -3.4.2全功率变频器逆变电路- 13 -第四章 永磁同步机变速恒频发电机系的转速控制- 14 -4.1风力发电机转速控制- 14 -4.2最大功率点跟踪控制方案- 14 -第五章 风力发电技术未来展望- 17 -5.1风场的选址- 17 -5.2风电机组技术- 17 -5.3风电机组的并网- 17 -参考文献- 19 -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
3、。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
4、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
5、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
6、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
7、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、
8、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
9、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： 功率系数cP图2.2 叶尖速比与功率系数关系曲线
10、从图中我们可以看出叶尖速比在68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
11、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
12、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
13、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
14、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+ Te2) 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
15、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
