直驱永磁同步发电机在风电中的应用研究

龙源期刊网直驱永磁同步发电机在风电中的应用研究作者：徐鹏飞邢仁周来源：《科学与财富》2014年第06期摘要：以永磁直驱风力发电机系统为主题，介绍了永磁直驱风力发电机原理及其结构，对比分析了其相对于双馈异步发电机的优势，并对其控制系统进行了综述。关键词：直驱永磁同步发电机；风力发电机；变速恒频0引言在环境污染与能源危机的大背景下，风能作为一种清洁能源，已经成为世界研究的热门话题，其中又以变速恒频（variablespeedconstantfrequency，VSCF）风力发电技术为当前的研究热点。目前主流的变速恒频风电机组多采用有刷双馈交流励磁发电系统，该系统可实现有功和无功解耦控制、最佳风能捕获控制以及变速恒频发电运行。但由于系统中需采用齿轮箱连接风力机和发电机，且有刷双馈电机存在电刷和滑环，导致系统结构复杂，齿轮箱随着发电机组功率等级的升高，成本变的很高，且易出现故障，需要经常维护，可靠行差；当低负荷运行时，效率低；同时齿轮箱也是风力发电系统产生噪声污染的一个主要因素，所以降低了系统发电效率和运行可靠性。永磁直驱风机风力发电系统就是在这种情况下出现的，应用于风力发电的永磁同步发电机采取特殊的设计方案，其较多的极对数使得在转子转速较低时，发电机仍然可以工作，直驱永磁同步风力发电系统当中使风轮机与永磁同步发电机转子直接耦合，省去齿轮箱，提高了效率，减少了发电机的维护工作，并且降低了噪音。另外直驱永磁风力发电系统不需要电励磁装置，具有重量轻、效率高、可靠性好的优点。随着电力电子技术和永磁材料的发展，大功率开关器件（IGBT等）和永磁体成本不断下降，并且其性能不断提高，使得直驱永磁风力发电系统从众多变速恒频风力发电系统中脱颖而出，具有很好的发展前景。1直驱永磁风力发电机原理及结构1.1原理概述永磁同步发电机转子上使用的是永磁材料励磁，没有励磁绕组，省去了励磁绕组的铜损耗；同时，发电机和风力机通过轴系直接耦合在轮毂上，由叶轮直接驱动发电，不需要齿轮箱等中间传动部件。永磁同步发电机经背靠背式全功率变频器系统与电网相连，通过变频器控制系统的作用，来实现风电机组的变速运行。1.2结构介绍龙源期刊网直驱永磁同步风力发电系统组成部分由桨距控制式风力机收集风能、永磁同步发电机来完成风能到电能的转换、背靠背全功率变频器以及控制系统电能的质量控制。其中背靠背全功率变频器系统又可以分为：直驱永磁同步发电机侧变频器、直流环节和电网侧变频器。桨距控制式风力机和永磁同步发电机直接耦合，发电机的输出经发电机侧变频器整流后由电容支撑，再经电网侧变频器将能量馈送给电网。2直驱永磁风力发电机的优势2.1目前风电市场上主流发电机组及应用介绍面对现代风力发电系统不断向大型化和变速变桨矩方向发展的要求，当今风电行业普遍采用的是变速恒频的发电技术。而在采用这一技术的风力发电机组中，最常见的就是直驱式永磁同步发电机和双馈式感应异步发电机。2.2直驱永磁风力发电机的优势尽管双馈发电机目前占据着市场的绝大部分份额，它的缺点却是不容忽视的。很多中外风电设备制造企业和运营企业，经过多年的艰辛运营不免发现，双馈电机的升速齿轮箱不但效率低，而且故障率高，维修困难，其费用占整个风电设备的比例高达12.9%之多。而直驱式永磁同步发电机免齿轮箱，免转子励磁的特点，则良好地解决了这个问题。特别是直驱永磁发电机具有的优越的低电压穿越能力，为电网的友好运行和未来风电机组的大面积并网，提供了良好的基础。3直驱永磁同步发电机控制系统发电机组与电网并网时，要求发电机组的电压、相位和频率与电网保持一致，而对于风电来说由于风能的不确定性，保持频率恒定一直是一项困难的工作。传统的恒速恒频发电系统，多采用鼠笼型异步发电机，若转子转速高于同步转速过多时，发电机处于不稳定状态，容易飞车，另外，对恒速风机来说，风速突变容易引起机械损伤，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。直驱永磁同步发电机系统采用变速恒频控制，无论风速如何变化，通过变频器和控制系统都能够使电能达到恒频输出。此发电系统中，风力机改恒速运行为变速运行，大大提高了风能利用率，还可以适应不同的风速区，克服了风力发电地域限制的缺点，高风速时，风力机把吸收的风能以动能的形式储存于高速运转的风轮中，改善了主轴及传动机构受力状况。低风速时，风力机转速越低，叶片尺寸就必须越大；对于变速机组来说，风力机转速与风速成正比，所以较少受风速低时噪音的限制，即使变速机组叶尖速比大于恒速机组，但是转速仍会大大低于恒速机组，输出同等电能的情况下，噪声更低。直驱永磁同步发电机组还能够准确地控制功率因数，可以做到不吸收无功，甚至向电网输送无功，大大改善了系统的功率因数。4结论龙源期刊网永磁直驱式风电系统以其无齿轮箱、维护成本低、噪音低等独有优势正受到越来越多的关注，己经成为变速恒频风电系统未来发展的一个重要方向。永磁直驱风机更能适应低风速，对于我国具有更加重要的意义，我国低风速的三类风区占到全部风能资源的50%左右，更适合使用永磁直驱式风电机组。目前，通用变频器技术成熟，价格便宜，为中小型直驱发电机的普及提供方便；性能优良的大功率电力电子器件的不断涌现，促进了大型直驱发电机的研究和应用，同时，伴随着直驱式风电系统的出现，全功率变流技术得到了发展和应用；应用全功率变流的并网技术，使风轮和发电机的调速范围扩展到0～150%的额定转速，提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。参考文献[1]陈和平，国内外风力发电简述，高新技术，2004（2）：P26.[2]徐甫荣，大型风电场及风电机组的控制系统，电气传动制动化，2003，25（6）：p5.