风力发电技术系列讲座_2_风力发电机及其功率变换器的发展现状

风力发电技术系列讲座_2_风力发电机及其功率变换器的发展现状

?技术讲座?王宏华?风力发电机及其功率变换器的发展现状

风力发电技术系列讲座(2)

风力发电机及其功率变换器的发展现状

王宏华

(河海大学自动化工程系,江苏南京210098)

摘　要:阐述了风力发电机及其功率变换器的基本结构和工作原理,综述了国内外风力发力发

电机及其功率变换器的发展现状及发展趋势。关键词:风力发电机;功率变换器;风电系统中图分类号:TK83　　文献标志码:A　　文章编号:167125276(2010)0220190203

TheSeriesofLecturesonWindPowerPrincipleandDevelopmentofWindPowerWANG(DepartmentofAutomationinejing210098,China)

Abstract:Thispaperdescribesthepistructureierneratorsandpowerconverters,andpresentsthelatest

developmenttrendandresseratorsandpowerconverters.

Keywords:wierrter;windpowersystem

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0　引言

风力发电机是风电系统中实现风能转换为电能的核

心部件,在发展初期均采用小容量直流发电机,随着风电机组向大型化方向发展,交流发电机已成为当今风力发电机的主要形式,如表1所示[4]。

表1　风电系统与常用发电机主要形式

风力发电系统恒速定桨距失速型

发电机形式笼型异步发电机

增速装置有

n0=(1)

异步电机转子的转速nr与n0不可能相等,转差率s

是表征其运行状态的基本变量,即

s=n-nn0

(2)

在风力机驱动下,笼型异步电机发电运行时,nr一般在(1～1.05)n0之间,故称为恒速风力发电机,其优点是结构简单、成本低、可靠性高,故在定桨距(失速型)并网型风电机组中得到了广泛应用,且为了提高定桨距风电机组在低风速运行时的效率,其普遍采用了“双速发电机”,即低风速时,绕组极对数p=3的小发电机工作;高风速时,绕组极对数p=2的大发电机工作[6]。

由于并网前笼型异步发电机尚未建立电压,为了获得平稳的并网过渡过程、限制并网瞬间的冲击电流,不仅应在发电机相序与电网相序相同和发电机转速接近同步转速n0时并网,且应采用晶闸管软并网技术,即在发电机定子和电网之间每相串入双向晶闸管,控制其导通角以控制并网时的冲击电流。另外,为了减轻电网无功功率的负担,应在笼型异步发电机机端并联电容器以提供建立磁场所需的励磁电流、补偿无功。

b)绕线型异步发电机绕线型异步发电机的转子绕组为连接成星形接法的三相对称绕组,可通过电力电子装置调整转子回路电阻,使其在最小值(转子绕组电阻)和最大值(转子绕组电阻与外接电阻之和)间变化,进而使发电机可稳定运行的转差率绝对值范围扩大为0.6%～10%,构成图1所示的

变速变桨距

绕线型异步发电机

有

有刷双馈异步发电机

电励磁多极同步发电机没有或带有小永磁多极同步发电机增速比齿轮箱

　　现阐述了表1所示并网型风电机组常用的交流发电机及其电力电子变流装置的基本结构和工作原理,综述了具有商业化发展前景的新型风力发电机,展望了风力发电机及其电力电子变流技术的发展趋势。

1　常用的并网运行风力发电机

a)笼型异步发电机

笼型异步发电机的定子绕组为三相对称绕组,转子绕组采用笼型结构。当频率为f1的三相对称电流通入极对数为p的三相对称绕组,则在定、转子气隙内建立同步转速n0如式(1)所示的旋转磁场,即

作者简介:王宏华(1963—　),男,江苏泰州人,博士。现为河海大学教授、博士生导师。研究方向为新型交直流电力传动等。出版有

《开关型磁阻电动机调整控制技术》、《现代控制理论》等著作。

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90?http:∥ZZHD.chinajournal.net.cn　E2mail:ZZHD@chainajournal.net.cn《机械制造与自动化》

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组端口的电功率流向则由转差率s的正负决定。

d)多极同步发电机

同步发电机的定子与异步发电机相同,转子上有直流励磁绕组(电励磁式)或永久磁钢(永磁式)。在风力机驱动下,转子以转速nr旋转,旋转的转子磁场切割定子三相对称绕组,产生频率f1如式(3)所示的三相对称定子感应电势和感应电流,而定子三相对称感应电流建立的定子旋转磁场转速n0与转子转速(即转子磁场转速)相同,即

f1pn[1,3]

“有限变速异步风力发电机”,实现在一定的风速范围内,发电机变速运行,不调节风力机叶片桨距而维持发电机输出额定功率,既减小了风速频繁变化时的功率波动,又避免了变桨距控制系统频繁动作

。

60

=

pn60

(3)

随着风电机组向大型化方向发展,多级增速齿轮箱故障率高、效率低、噪音大等问题日益突出,多级增速齿轮箱传动向直驱型(无齿轮箱,机)、)

图1　绕线转子电流受控的异步风力发电机如图1所示,转子电流指令与实测值比较后经电流控

制算法得到PWM信号的占空比,PWM电路控制IGBT主开关S,,,:外接转子电阻消耗能量,;变速范围有限,至多可获得相对于同步转速10%左右的转速变化。

c)有刷双馈异步发电机

有刷双馈异步发电机(Doublyfedinductiongenerator,DFIG)是绕线型转子三相异步发电机的一种,其转子侧通过集电环和电刷加入交流励磁变流器,如图2所示

。

。

3

图3　永磁同步发电机直驱风力发电系统

图3中的全功率变换器采用了PWM可控整流后接

电压源型PWM逆变器的“三相双PWM变换器”拓扑,永磁同步发电机定子输出的频率、幅值变化的交流电经发电机侧PWM变换器整流为直流,然后经网侧PWM变换器将直流逆变为与电网同频率的三相交流电。该系统通过发电机侧PWM可控整流器控制系统有功、无功功率,并控制其电磁转矩以调节风轮转速,实现最大功率跟踪;而网侧PWM逆变器则以保持直流母线电压恒定为控制目标以实现输入输出能量平衡。

低速同步发电机除采用永磁式外,也可采用电励磁式,同样可实现直驱型风力发电系统[3]。

图2　有刷双馈异步风力发电机

图2中的转子励磁变流器采用了IGBT构成的PWM整流PWM逆变型式的交直交静止变频器,其具有能量双向流动的能力,且通过控制转子励磁电流的频率为转

差频率(即sf1)实现宽范围(70%～130%同步转速)变速恒频发电运行;通过调节转子励磁电流的有功、无功分量,可独立调节发电机的有功、无功功率,从而调节风力机转速以实现最大风能捕获跟踪控制、调节电网的功率因数以补偿电网的无功功率需求。

与改变转子回路电阻实现“有限变速”的绕线型异步风力发电机相比,DFIG的转子能量没有消耗在转子回路,而是通过电力电子变流器在转子与电网之间双向流动。事实上,DFIG具有相对同步转速±30%左右的可变速范围,即使转子转速低于同步转速时也可发电运行(亚同步运行),定子绕组并网后始终输出电功率,而转子绕

MachineB

uilding

Automation,Apr2010,39(2):190～192

2　新型风力发电机

a)无刷双馈异步发电机

采用无刷双馈异步发电机(brushlessdoublyinduction

fedgenerator,BDFG)的风电系统如图4所示。

BDFG转子为自行闭合的环路结构。定子有两套极数不同、相互独立的绕组,分别为功率绕组、控制绕组,其作用分别相当于有刷双馈异步发电机中的定、转子绕组,当电机转速变化时,只要经双向变流器调整控制绕组电流频率,即可使功率绕组电流频率与电网相同,实现与有刷双馈异步发电机相同的变速恒频控制目标。

b)开关磁阻发电机

开关磁阻发电机(Switchedreluctancegenerator,SRG)

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91?

?技术讲座?王宏华?风力发电机及其功率变换器的发展现状

恒频风力发电系统省去了增速齿轮箱,提高了效率与可靠

性,降低了噪声,利用基于现代电力电子技术的全功率变流器控制系统的有功、无功功率,实现最大风能跟踪,是风力发电技术的新兴发展方向。

b)BDFG与DFIG的运行机理不同,但可通过同样的控制策略实现相同的变速恒频控制目标。BDFG未使用集电环和电刷,因此在风力发电系统中具有良好应用前景。

c)SRG结构坚固、简单、效率高、容错能力较强,适合应用于风力发电。

d)DSPM电机、FSPM电机、SIPM电机均是定、转子为双凸极结构的定子永磁电机,在风力发电系统中具有良好应用前景。且与永磁磁链为单极性分布的DSPM电机相比,永磁磁链分布为双极性的FSPM电机、SIPM电机在风力发电中的应用前景更为广阔。

e),,总体上有交-交变流电路和交-。方兴未艾的矩阵变-交变换器低频谐波大的局限。在交-直-交变换器中,两电平电压型双PWM变换器应用较多,若要降低输出电压的变化率、谐波,可采用基于SVPWM控制策略的多电平变换器。参考文献:

[1]程明,张运乾,张建忠.风力发电机发展现状及研究进展[J].

图4　无刷双馈异步风力发电系统

结构坚固、简单、成本低,其定、转子均为凸极结构,定子

绕组为集中线圈,转子无任何绕组亦无永磁体,最大允许温升较高,适用于环境恶劣场合,功率变换器是单极性的,相绕组与主开关串联,安全裕度较大。

图5为采用SRG的风力发电系统结构示意图,SRG的转子由风力机驱动旋转,借助转子位置传感器实现位置闭环控制,功率变换器为SRG提供励磁电源,且以相绕组续流电流给蓄电池充电的方式提取SRG

电力科学与技术学报,2009,24(3):229.

图5　采用SRG的风力发电系统

c)定子永磁同步发电机

[2]姚兴佳,宋俊.风力发电机组原理与应用[M].北京:机械工

业出版社,2009.

[3]宋海辉.风力发电技术及工程[M].北京:中国水利水电出版

永磁同步发电机无需外部提供励磁电源,具有效率和功率密度高的优势,是直驱型变速恒频风力发电系统中的主流发电机。但目前得到广泛应用的一般均为转子永磁结构,即将永磁体贴装在转子表面,存在永磁体因离心力作用而脱落及因温升而不可逆退磁的隐患。因此,永磁体置于定子侧的“定子永磁同步发电机”新结构不断出现,例如,双

凸极永磁电机(DSPM电机)、磁通切换永磁电机(FSPM电

[11]机)、定子内永磁电机(SIPM电机)等,其均保留了开关磁

社,2009.

[4]牛山泉编著,风能技术[M].刘薇,李岩译.北京:科学出版

社,2009.

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