风电文献综述

随着交流电动机高性能变频调速技术及永磁同步电动机(PMSM)设计制造技术的不断进步,以矢量控制技术为核心的PMSM工业伺服驱动器得到了飞速发展,市场前景良好,带来了很好的社会效益和经济效益。任何一种新研发的伺服驱动器或PMSM均需要长时间的性能验证,为此需要设计高性能测试平台。到目前为止,变频传动系统的模拟测试平台大致包括以下几种类型:(1)能量消耗型;(2)能量回馈型;(3)互馈对拖型。其中,能量消耗型需要直流发电机和功率电阻来模拟实际负载,系统庞大,控制复杂,能量消耗严重。能量回馈型需要同步电动机和直流发电机及并网装置,系统复杂,效率较低。互馈对拖型包括两种:共用交流母线型和共用直流母线型。共用直流母线型的结构相对简单,控制容易,效率最高,整流设备功率最小。该互馈对拖型测试平台非常适用于测试伺服驱动器2PMSM传动系统的性能。本文建立了共用直流母线的互馈对拖型测试平台,描述了该测试平台的工作原理,对整个机电系统进行了建模和仿真分析,给出了该测试平台的实际运行情况分析,并对互馈对拖测试平台的损耗与效率进行了分析,提出了能效比的概念。摘要风能作为一种清洁的可再生能源，越来越被人们所关注，风力发电更是受到人们的重视。现代风力发电技术的发展趋势一是无刷化，二是采用取消增速机构的风力机直接驱动低速发电机，其中最典型的是直接驱动式永磁风力发电机。尤其是中小型直接驱动式永磁风力发电机，结构简单，运行可靠，即可并网又可独立运行，特别适合于我国边远地区，具有广阔的推广应用前景。目前，国内对直接驱动式永磁风力发电机的研究还处在起步阶段，没有适用于中小型直接驱动式永磁风力发电机成熟的设计方法，本文以50kw直接驱动式永磁风力发电机为例，进行该种电机设训方法的研究。首先，分析直接驱动式永磁风力发电机的设计特点。由于电机转速很低，为了充分利用其圆周线速度，一般需要采用直径大而轴向长度短的结构，与传统高速电机的细长结构有很大区别。因电机转速低、极数多而电机外径不能太大，定子槽数有限，需要采用适当的极数和槽数配合、磁极和绕组结构来削弱电势谐波和减小转矩脉动。其次，采用等效磁路的方法，根据电机的技术要求，进行电磁方案的初步设计，确定电机的基本结构、永磁体和铁心尺寸及绕组参数，以便建立进行磁场分析的模型。再次，基于有限元磁场分析进行电磁性能计算。对己建立的电机模型，采用二维场路结合的负载电流迭代法，计算不同转子位置下的电机磁场分布、绕组电压、电流波形及瞬态电磁转矩等，对比分析不同设计方案的电机性能，确定最优设计方案。最后，根据永磁电机的励磁不可调性，和定子绕组匝数多，电枢去磁反应大的特点，采用永磁体径向式和切向式相结合的混合式Halbacll结构，增加气隙磁密，减小转子扼部磁密，从而提高电机的力能密度和减小电机体积。关键词:直驱式低速永磁风力发电机设计1绪论1.1课题研究的背景与意义风是地球表面上的大气受到太阳辐射而引起的部份空气的流动，因而风能也是太阳能的一种表现形式。地球近地层每年风能总量约为13*10t5w，可以利用的风能量至少为1012w，约是地球可以利用的水力能源总量的十倍[l]。如果世界风能的1/10用于发电，则可达世界总发电量的(8一9)%，而由于风力的随机性和风速变化多端，它的利用效率较低，在风能的实际利用上早期进展缓慢。随着能源问题和环境问题的日益突出，风能作为一种清洁的可再生能源，取之不尽，用之不竭，很好地解决了燃料运输，灰渣处理和环境污染等问题。由于它是自然能源，在常规能源紧张和生态环境遭受污染的时代，风力发电越来越受到人们的重视。世界各国对风力发电的开发利用经过了一个漫长曲折的道路，一些经济发达国家在上个世纪70年代后期先后制定了发展规划，并投入了相当数量的开发资金，取得了显著成绩，现在正朝着大型化、商业化、实用化方向发展。自1990年以来，世界风力发电得到了飞速发展，风力发电装机容量几乎每3年翻一番，到2002年底世界总装机容量已超过3.1*10，。w[z]。预计到2010年装机容量将突破10oGw。单机容量从80年代的100一45OkW到90年代的50一750kw，目前并网型主力机组是MW级风电机组，正在向SMW的单机容量发展，风力机叶片直径己达80m，塔架高达到100m。现代风力机技术的大规模应用是在失速型风力机技术成熟与完善的基础上开始的，二十世纪70年代末，由丹麦发展起来的三叶片、上风向、定桨距失速调节的风力机机型从众多类型的风力机中脱颖而出，逐步发展为主导机型，但随着风力机的单机容量的不断增大，变速恒频型风力机逐渐占据了主导地位。近几年，国外开始研制一种直接驱动型风力发电机组，这种风力发电机组采用多极异步电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，从而免去了齿轮箱这一传统部件。由于其具有很多优点，在今后风力机发展中有很大的发展空间[3j。没有齿轮传动的电机系统被称为直接驱动4[l。风力发电系统取消增速机构采用风力机直接驱动发电机的方式，其优点是显而易见的。Mw级的风力发电机一般需采用3级齿轮增速，将风力机的转速由每分钟数十转增至上千转，齿轮传动不仅降低了风电转换效率和产生噪声，而且由于机械磨损需要润滑清洗等定期维护，往往成为系统机械故障的重要来源。取消增速机，采用风力机直接驱动的发电机15]，对于提高系统效率和运行可靠性具有重要意义。直接驱动式发电系统必须采用超低速的发电机6[’1。众所周知，当发电机输出电压频率不变时，电机绕组的极数与转速成反比，而电机电磁功率与转速成正比，如果保持与高速电机具有相同的额定功率，直接驱动低速发电机就必须有较多的极数和较大的体积，因此，就提高了发电机的制造成本。此外，低速发电机由于极数很多而受其铁芯尺寸和槽数所限，每极每相槽数过少而无法采用正常的分布和短距绕组，致使发电机的输出电压、电流波形含有较大的谐波分量，给发电机绕组设计带来很大困难。可以看出，虽然直接驱动式发电系统增加了发电机的制造成本，但获取系统效率和运行可靠性的提高，从整个系统效益上考虑是可取的，所以成为近年来的一种发展趋向。低速发电机输出电压、电流波形不好的问题，可以采用将发出电能通过交一直一交变频器，再送入电网的变速恒频方式来解决。因此，直接驱动与直接采用交一直一交变频器相结合的变速恒频方式有一定的优势，但也有发电机与变流器的成本皆比较高的缺点。电励磁的同步电机和绕线转子感应电机皆需要通过滑环和电刷实现对转子绕组电流的控制。滑环与电刷之间流过较大的电流，而其相对运动靠滑动接触，除了机械磨损之外，还有电腐蚀，特别对于长期运行在具有潮湿、盐雾等气候条件下的电机，滑环电刷的磨损就更为严重，不仅需要定期维护，而且是容易产生故障的部位。为了提高系统的运行可靠性和实现免维护，无刷化一直是电机的发展趋向。普通笼型转子感应电机是无刷电机，但在变速恒频风电系统中难以直接应用。将二者结合起来，符合无刷化和直接驱动的两方一面的要求，在变速恒频风电系统中最具应用前景的是两种电机:永磁电机和无刷双馈电机。永磁发电机的优点是不需要电励磁，可实现无刷化，无励磁损耗，因而效率高。同时由于永磁体可提高的气隙磁通密度，因而可提高电机的功率密度。永磁发电机的缺点是励磁无法调节，在变速系统中无法靠电机本身实现恒压控制。有时不得不串联电容调压或采用永磁与电励磁相结合的混合方式。多极低速永磁发电机除了输出电压不稳定之外，还有电压波形不好的问题。其解决的办法是采用高性能的交一直一交变频器来完成[8]。虽然变频器的成本较高和控制技术比较复杂，但可充分发挥永磁电机的优势。因此这种采用直接驱动低速永磁发电机的变速恒频风力发电系统被认为是具有较好的应用前景。我国拥有丰富的风能资源，可开发风能资源约为10”w「2，。月_我国风能的利用，已有2000年的悠久历史，主要是用于风力提水和船舶上，但发展很慢。据有关资料统计，截止到1999年底，全国仍有7个无电县，76个无电乡，16509个无电村，706万无电户，约2800万人口无电。特别是居住在偏远地区的广大农牧民及海岛渔民，通过架线输电的办法来解决他们的用电问题，是十分困难而且也很不经济。由于这些地区具有交通不便、居住分散、用电量低等特点，所以生活在这些地区的群众迫切需要使用我国自行研制、生产的中小型直接驱动式永磁风力发电机组，来解决他们的用电需求。在过去的近30年中，经过全国各有关科研、生产、推广部门及当地政府的努力，我国的户用小型风力发电机组有了很大发展。全国的户用小型风力发电机组的累积安装达到19万台。在这些机组中，绝大部分的功率输出为50w和1O0w。其中，有的机组己达到或超过设计寿命(设计寿命按15年计)，需要更新换代或加大功率，这是一个潜在的、稳步增长的市场。在边远地区的边防连队、哨所，海岛驻军、渔民、地处野外高山的微波站、电视差转台站、气象站、公路、铁路无电小站、森林中的了望火台、石油天燃气输油管道、滩涂养殖业及沿海岛屿(全国有700多公里的海岸线)等多数地方使用柴油或汽油发电机组供电，供电成本相当高，有些地方高达3元/度。而这些地方绝大部分处在风力资源丰富地区。通过采用风力发电系统或风力发电池供电，可以既保证全天24小时供电，又节约了燃料和资金，同时还减少了对环境的污染，可谓一举三得，有着十分显著的经济效益和社会效益。随着我国农村经济政策的落实，广大农牧民加大了在种植业方面的投入，一些农民还承包了荒山、荒坡、荒地，出现了农民以地为家的现象，这些地区均远离电网，他们也迫切要求用风力发电机组来为他们提供可靠的电源。另外我国南方地区的湖泊上，也有许多渔民以船为家，用柴油发电机组发电既污染环境又有噪音，他们也迫切需求风力发电机组来发电解决他们的生活用电。近几年来，我国出口微型风电机的数量在逐年增加，产品出口到美国、德国、希腊、比利时、瑞典、日本、阿根廷、印尼、马来西亚、蒙古等国。据不完全统计，目前，己累计出口小型风力发电机组20O0多台。据外贸部门提供的信息:目前，非洲大陆、东南亚和拉美地区等许多国家，对我国的中小型风力发电机很感兴趣，具有广阔的市场前景。随着国家“光明工程”、“全球环境基金工GEF世界银行中国可再生能源商业化促进项目”、“uNoP/CEF在中国商业建设项目”和其他一些利用风能项目在我国的开展和示范，也将大大促进我国风能的开发利用市场。随着我国改革开放政策的深入发展，我国城乡人民的收入也在不断提高，同时城乡居民消费水平也逐年提高，用于提高生洁水平的费用加大，因此农民用于购买风力发电机组来提高生活水平的积极性也很高。中央已明确指出:要把农村，特别是偏远地区的农村脱贫致富，实现人民生活奔小康目标当作一项重要的政治任务来抓。因此，国家有关部门和地方政府也在逐渐地给予一些政策和补贴，以提高他们的文化生活水平，这也交将促进风能行业的快速、健康地发展。综上所述，从国内中小型直接驱动式永磁风力发电机组的市场需求、农牧渔民的生活水平、购买能力，到国家发展的需要都具备了发展的条件，因此我国的中小型直接驱动式永磁风力发电机组有着厂阔的市场前景。而中小型直接驱动式永磁风力发电系统的研究在国内处在刚刚起步阶段，特别是其核心部分直接驱动式永磁风力发电机更是如此，因此，这也就成为本课题的来源。1.2永磁风力发电机的国内外发展现状风能发电的原理是利用风轮将风能转变为机械能为电能。大型风力发电机组发出的电能直接并到电网上风轮带动发电机再将机械能转变，向电网馈电:小型风力发电机一般将风力发电机组发出的电能用储能设备储存起来(一般用蓄电池)，需要时再提供给用户1。目前，世界上风电能量转换正在由随速恒频向变速恒频系统过渡，变速恒频系统优点之一:在各种风速下可获得最大能量转换10]，延长风电机组寿命。而恒速恒频系统，当风速跃升时，巨大的风能将通过风力机叶片传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，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会引起这些部件的疲劳损坏。变速恒频风力发电系统的进一步发展趋势之一是无刷化，一种是采用无刷双馈变速恒频发电机，另一种是采用高效永磁发电机。同时另一发展趋势是采用取消增速机构的风力机直接驱动低速发电机的结构。