1、晉升中級職稱論文永磁同步機變速恒頻發電系統研究單位：哈飛工業下屬單位：風電公司姓名：林志強2011年8月17日目錄第一章 緒論- 1 -1.1 風力機對發電機及發電系統的一般要求- 1 -恒速恒頻發電機系統- 1 -變速恒頻發電機系統- 2 -1.2 風力發電機組技術的發展- 4 -第二章 變速恒頻發電機系統控制技術- 6 -2.1風力發電機控制系統組成- 6 -2.2葉尖速比理論- 6 -2.3變速恒頻風力發電機運行狀態- 7 -起動狀態- 8 -欠功率狀態- 8 -額定功率狀態- 8 -第三章 永磁同步機變速恒頻發電系統- 10 -3.1永磁同步機變速恒頻發電系統構成- 10 -3.2永磁

2、同步發電機運行特性- 10 -3.3全功率變頻器- 11 -全功率變頻器整流電路- 12 -全功率變頻器逆變電路- 13 -第四章 永磁同步機變速恒頻發電機系的轉速控制- 14 -4.1風力發電機轉速控制- 14 -4.2最大功率點跟蹤控制方案- 14 -第五章 風力發電技術未來展望- 17 -5.1風場的選址- 17 -5.2風電機組技術- 17 -5.3風電機組的并網- 17 -參考文獻- 19 -第一章 緒論隨著全球常規能源的逐步衰竭，節能和可再生能源的利用成為了熱門課題。風能作為一種潔凈的可再生能源受到了人們的青睞。然而傳統的風力發電（是風能的主要利用形式）系統對風能的利用并不充分，造

3、成了一定風能資源的浪費。針對過去恒速恒頻發電方式的不足，各國學者開始研究各種變速恒頻的發電策略。變速恒頻發電方式的主要優點是能根據不同的風速調整發電機的轉速使風力機能捕捉到最大的風能。1.1 風力機對發電機及發電系統的一般要求風力發電包括了由風能到機械能和由機械能到電能兩個能量轉換過程，發電機及其控制系統承擔了后一種能量轉換任務，它不僅直接影響這個轉換過程的性能、效率和供電質量，而且也影響到前一個轉換過程的運行方式、效率和裝置結構。因此，研制和選用適合于風能轉換用的、運行可靠、效率高、控制及供電性能良好的發電機系統是風力發電技術的一個重要部分。風速和風向是隨機變化的，為了高效轉化風能，要求葉輪

4、轉速隨風速相應變化，保持最佳的葉尖速比。恒速恒頻發電機系統是較簡單的一種，一般都采用普通異步發電機作為主要發電單元。另一種是變速橫頻發電機系統，這是20世紀70年代中期以偶逐漸發展起來的一種新型風力發電系統。葉輪可以變轉速運行，可以在很寬的風速范圍內保持近幾乎恒定的最佳葉尖速比，從而提高了風力機的運行效率，從風中獲取的能量可以比橫轉速風力機高得多。1.1.1恒速恒頻發電機系統恒速恒頻發電機系統一般來說比較簡單，發電機一般采用普通工業異步電機，如圖1.1所示：圖1.1 恒速恒頻發電機系統1.1.2變速恒頻發電機系統變速恒頻發電機系統主要優點在于葉輪以變轉速運行，可以在很寬的風速范圍內保持近乎恒定

5、的最佳葉尖速比，從而提高了風力機的運行效率，此外，這種風力機在結構上和使用中還有很多的優越性，利用電力電子裝置是實現變轉速運行最佳化的最好方法之一。變速恒頻發電機系統的轉速控制通常是靠變頻器來實現的，根據發電機形式的不同，其并網方式也有所不同。因此，變速恒頻發電機系統按照發電機的種類不同也可以把變速恒頻發電機系統分為雙饋式、直驅式、半直驅式三種。.1雙饋式變速恒頻發電機系統雙饋式發電機系統一般都采用雙饋異步發電機，傳動系統結構如圖1.2所示。發電機定子與電網相連， 變頻器與發電機轉子和電網相連。當發電機轉速低于額定轉速時，發電機通過變頻器從電網吸收功率，當發電機高于額定轉速時，發電機通過變頻器

6、向電網輸送功率。所以變頻器功率僅為發電機功率的1/3。圖1.2 雙饋式變速恒頻發電機系統1.1.2.2直驅式風力發電機直驅式風機一般都采用永磁同步發電機，傳動系統結構如圖1.3所示。直驅式風機無齒輪箱所以它具有傳動效率高，發電機輸出功率全部經過變頻器后并入電網，發電機輸出不穩定頻率的電能經過變頻器后轉化為穩定頻率的電能，變頻器功率等同于發電機功率。圖1. 3 直驅式變速恒頻發電機系統1.1.2.3 半直驅式風機基于雙饋式風機和直驅風機各自優缺點考慮，人們研發一種新型的風機，它采用了相對可靠的一級行星齒輪和適當的增速比，這一級行星齒輪與發電機集成在一起，構成了發電機單元。風機的葉輪和發電機單元直

7、接相連接，使風機所用的部件減少，這樣就兼有前面所提到的兩種風機的優點：體積小，重量輕，效率高，同時可靠性高，可維護性好。這種新的風機技術稱為MULTIBRID技術，即半直驅風機。MULTIBRID技術的核心是采用一個一級行星增速器與一個永磁同步低速發電機相集成，構成一個發電單元，一級行星齒輪的增速比為5-10,降低了發電機的輸出扭矩。傳動系統結構如圖1.4所示。圖1.4 半直驅變速恒頻發電機系統1.2 風力發電機組技術的發展隨著風電技術的不斷發展和創新，風機正向著大容量、優良的發電質量、提高材料利用率、減少噪音、降低成本、提高效率發展。20世紀80年代初，商品化的風電機組的單機容量以55kW的

8、小型風力機組為主；20世紀80年代中期-90年代初期，發展到以100kW-450kW為主，到20世紀90年代中后期，則發展到以500kW-1MW級的大型風力機組為主。目前，大型風力機組并網發電已成為風能利用的主要形式。在各類研究中，永磁同步機變速恒頻發電系統作為一種極具優勢的方案受到了越來越多的重視。這是因為：1) 永磁同步發電機性能好，效率高，無需勵磁，與其他類型電機相比較尺寸小，重量輕；2) 永磁同步發電機的額定轉速可以做到很低，這樣便可與風力機直接耦合，省去了噪聲大、維護不方便且昂貴的齒輪箱；3) 拓撲結構可以比較簡單，控制方法相對容易掌握。本文重點以永磁同步機變速恒頻發電機系統為例，介

9、紹變速恒頻發電機系統的控制方法。第二章 變速恒頻發電機系統控制技術2.1風力發電機控制系統組成風力發電機控制系統主要控制風機運行的各個階段的轉換策略，例如靜止到空轉、空轉到正常風速下的功率輸出、正常風速到颶風狀態的風速停機等。如圖2.1所示為風機控制系統組成。圖2.1風機控制系統組成2.2葉尖速比理論風機葉片吸收風能在理論上有個最大值Cp=0.593，實際運行時不會超過這個值。從而引入葉尖速比概念：葉尖速比；為葉輪轉速；v風速。通過風洞試驗得到結論如圖2.2所示： 功率系數cP圖2.2 葉尖速比與功率系數關系曲線從圖中我們可以看出葉尖速比在68之間風機功率系數Cp值最大。所以風力發電機運行在葉

10、尖速比為6-8之間時葉輪吸收的風能最大。2.3變速恒頻風力發電機運行狀態變速恒頻風力發電機組根據變槳系統所起到的作用可分為三種運行狀態，即風力發電機組起動狀態、欠功率狀態和額定功率狀態。如圖2.2所示：圖2.2 風機功率與葉片槳角對應關系2.3.1起動狀態變槳葉輪的槳葉在靜止時，槳葉角度為90度，這時氣流對槳葉不產生轉矩，整個槳葉實際上是一塊阻尼板。當風速達到起動風速時，槳葉向0度轉動，直到氣流對槳葉產生一定的攻角，葉輪開始起動。在發電機系統并入電網之前，風機控制系統以發電機轉速信號作為速度參考值，使用變槳系統作為控制葉片的執行機構來控制槳葉的角度，最終實現控制發電機轉速使之平穩上升。為了確保

11、并網平穩，對電網產生盡可能小的沖擊，變槳系統可以在一定時間內，保持發電機的旋轉在并網轉速附近，尋找最佳時機并網。2.3.2欠功率狀態風力發電機欠功率狀態就是風機并網以后，由于風速低于額定風速，發電機在額定功率以下的低功率運行狀態。如圖2.2所示工作區1。此工作區域風速在切入風速與額定風速之間變化，發電機轉速也隨風速在并網轉速與額定轉速之間變化。此工作區變槳系統槳葉角度始終處于0度位置。這時變速恒頻風力發電機組與恒速恒頻風力發電機組相同，其功率輸出完全取決于槳葉的氣動效率。變速恒頻風力發電機組為了改善低風速時槳葉的氣動性能，在控制方法上采用了最佳葉尖速比的控制策略。根據風速的大小，調整發電機的轉

12、速，使其盡量運行在最佳葉尖速比上，以獲取最大的Cp值，從而得到最大的功率輸出。額定功率狀態當風速到達或超過額定風速后，風力發電機組進入額定功率狀態。如圖2.2所示工作區2，發電機達到額定轉速且輸出額定功率。在此區間，控制系統以發電機轉速作為直接控制槳葉角度的變量，當風速變化時，變槳系統調節槳葉角度以控制發電機轉速恒定在額定轉速附近。 隨著風電行業的快速發展，可利用的風資源也越來越少。如今剩下的風場大部分都是二類、三類風場，而在這種風場中風機大部分的工作時間都是在欠功率下運行，速恒頻風力發電機組的優勢越來越趨明顯，所以變速恒頻風力發電機組在目前已經成為市場上的主流機型，而且它還在向著增大單機容量

13、這個方向發展。因此，大風機在欠功率狀態下對發電機系統的控制顯得尤為重要。第三章 永磁同步機變速恒頻發電系統3.1永磁同步機變速恒頻發電系統構成變速恒頻風力發電機組一般只有直驅式、半直驅式風機才使用永磁同步發電機。永磁同步發電機無需勵磁繞組，且結構簡單、體積小，所以在大風機的制造上顯得十分具有優勢。永磁同步發電機的輸出頻率通常低于50Hz，而且輸出頻率和電壓不恒定，無法滿足工業用電要求，所以必須要添加整流逆變器。常見的方案有采用背靠背雙PWM 變流器，如圖3.1所示。變流器把永磁同步機輸出的交流電轉變成符合要求的50Hz 交流電饋送回電網。圖3.1 永磁同步機并網形式葉輪的轉速是無法直接控制的，

14、但葉輪與發電機之間都是機械聯接，所以只要控制發電機的轉速就可以控制葉片的轉速。所以風機轉速控制的目的主要就是控制發電機的轉速，這就是轉速控制的主要控制部分。3.2永磁同步發電機運行特性同步發電機通過轉矩平衡向原動機索取機械功率，再通過電樞回路的電壓平衡向負載輸出電功率。1) 轉矩平衡 T1原動機轉矩、T0空載制動轉矩、Te電磁轉矩 空載 T1=T0 負載 T1=T0+ Te2) 電壓平衡=3) 功率平衡原動機發電機負載 同步發電機并網運行中必須隨負載的變化及時調節原動機的輸入轉矩T1和勵磁電流If，以保證轉速（頻率）和電壓等于額定值。永磁同步發電機由于采用了釹鐵硼作為磁極的磁性材料，所以它沒有

15、勵磁繞組。永磁同步發電機的轉矩控制是通過控制發電機的定子輸出電流來實現的。 風力發電機不同于普通并網的汽輪發電機，在風力發電機并網運行時，原動機輸入轉矩T1（葉輪從風能中獲取的轉矩）是不可控的，可控的是風力發電機所帶的負載。風速變化時及時通過變頻器調節發電機的電磁轉矩（按設計葉尖速比），從而調節風力發電機所帶的負載大小。保證風力發電機能夠穩定運行，且按照設計的葉尖速比運行。3.3全功率變頻器永磁同步電機的轉速一般都比較低，且低于工業上要求的并網頻率50Hz，所以永磁同步發電機并網運行必須要通過全功率變頻器與電網連接。發電機發出的頻率變化的交流電，經過IGBT整流電路變為直流，然后經過IGBT逆

16、變電路轉變為頻率50Hz的交流電送入電網。同時變頻器還可以根據電網要求發出調節發電機的功率因數。風力發電機組變流器由整流電路和逆變電路組成，如圖3.2所示：圖3.2 變流器原理圖3.4.1全功率變頻器整流電路整流電路主要作用是控制發電機轉速及功率因數。圖3.3為整流電路原理圖圖4.1 整流電路原理圖在整流電路中，C1的電壓大小的變化反映了負載的變化；發電機額定運行時，負載為額定負載；當負載增大時，C1電壓降低；當負載減小時，C1電壓升高。控制器根據C1電壓的變化及時調整發電機輸出功率，保證發電機輸出功率與負載相匹配。在風力發電中，風時變化的量，所以我們控制的目標就是控制負載的變化。根據葉尖速比

17、的設計理念我們得出了風機吸收的最大功率，但這個功率是隨風速變化而變化的。控制器根據發電機轉速的變化，改變發電機繞組的輸出電流，增加發電機的電磁轉矩，即增加負載并同時維持C1電壓穩定。發電機轉速增加，負載增加，C1電壓不變；發電機轉速降低，負載減小，C1電壓不變。3.4.2全功率變頻器逆變電路逆變電路變頻器與電網直接相連，逆變電路將整流電路整定的直流電流轉換為標準電網下的交流電，并送入電網維持風機穩定的向電網輸送電能。逆變電路在變頻器運行中先啟動，首先將直流環節充電，然后將整流電路并入電網，完成了變頻器并網過程，并網之后建立了圖3.3所示C1電壓。逆變電路啟動完成后整流電路啟動，并進入完整的發電

18、過程。永磁電機采用了全功率變頻器，并沒有發電機與電網直接耦合連接，所以這種并網形式對電網的影響很小，且電能品質相對較高。在實際應用中，當風速在啟動風速上下頻繁變化時，發電機輸出功率介于零功率上下波動，全功率變頻器可以仍然與電網相連，這樣就避免了變頻器頻繁并網的環節，減少對電網的沖擊。第四章 永磁同步機變速恒頻發電機系的轉速控制4.1風力發電機轉速控制風機轉速控制方法主要有直接轉速控制和間接轉速控制。直接轉速控制是根據風速產生的扭矩直接控制發電機的電磁扭矩，所以風速必須是個比較準確的值，但在實際中測量的風速偏差很大，所以這種直接轉速控制的精度就很難保證。間接轉速控制就是根據發電機的轉速變化改變發

19、電機的電磁轉矩，從而控制發電機轉速，使葉輪轉速變化跟蹤風速變化，保證最佳葉尖速比。由上面我們得出的公式可以看出，發電機轉速的平方與發電機電磁扭矩成正比關系，即。如圖4.1所示：圖4.1 間接轉速控制4.2最大功率點跟蹤控制方案前面我們講到最佳的葉尖速比值可以獲取最大的Cp值。如何獲得最佳葉尖速比成為轉速控制的關鍵環節，在風速可以從風速儀獲取。在實際應用中風的擾動很大，且風速的高頻分量不能作為控制發電機轉速的變量加載到控制模型中，所以風速在控制系統中只能作為一個繞動量來考慮。通過數學模型的變換，我們可以得到一個沒有風速的方程式，這樣就增加了控制的準確性，如下所示：發電機功率為同時葉尖速比所以得：

20、 在方程式里作為一個常數存在，我們也稱之為機器常數。根據這個常數，可以計算得出發電機轉速與扭矩對應關系，如圖4.2所示，風機主控系統根據發電機轉速的變化及時調節發電機電磁轉矩，使風機吸收的風能與發電機所帶負載相匹配；并控制風機按最佳葉尖速比運行。圖4.2轉矩與轉速關系 在實際應用中，為了簡化控制過程，我們常采用查表的方法來控制發電機的轉矩，如圖4.3所示：圖4.3 發電機實際控制中的扭矩曲線控制系統將轉速與扭矩函數分成若干部分，每個部分發電機轉速與扭矩都成線性對應關系。這樣以來控制系統只要將發電機轉速作為一個變量，通過圖4.3扭矩曲線就可以迅速得出發電機應該輸出的扭矩期望值。風機主控系統把這個

21、期望值傳遞給變發電機轉矩的執行機構（變頻器），從而實現了對發電機的轉矩控制。第五章 風力發電技術未來展望新型材料運用，設計水平的提高以及控制技術的改進都將使得風電機組功率曲線不斷改善，運行可靠性不斷提高，自動化程度不斷加深。結構簡單、容量大、穩定性和適應性好、發電效率高、壽命長、智能化程度高及發電成本低皆是未來的風電機組不斷的追求。總體來說具體發展趨勢呈現以下幾個方面。5.1風場的選址風力大小與地形、地理位置等因素有關，如今的風電場玄珠也逐漸呈現以下一個趨勢。由強風帶向弱風帶過渡，啟動風速低，變速恒頻控制技術的應用使得風機在低風速下能夠最大限度地捕獲風能。由陸地向海上遷移，海平面十分平滑，因此風速較大，且具有穩定的主導風向，允許