风力直驱式发电机和风力双馈异步发电机综述唐欣.doc

风力直驱式发电机和风力双馈异步发电机综述 学 院：电 气 学 院班 级：电气10-1班 姓 名： 唐 欣学 号：1003010127老 师：陶 大 军 风力直驱式发电机和风力双馈异步发电机综述唐欣（哈理工电气学院，10-1届 1003010127,哈尔滨）摘要：风力发电机是实现风能转换成电能的核心部件。本文粗略介绍了风力发电机组的主要结构及各种风力发电机的特点，详细介绍了永磁直驱式风力发电机及双馈异步风力发电机。通过对比各种风力发电机的优缺点，对未来风力发电机的发展趋势做了展望。关键词：风力发电机：永磁直驱式风力发电机;双馈异步风力发电机Permanent magnet synchronous generator and doubly-fed asynchronous generator introductionTangxin(1003010127)Abtract:Wind powergenerator is one of the core components convertingwind energy to electric energy.The characteristics of every kind of wind power generator and the wind power system are introduced in this paper, which permanent magnet synchronous generator and doubly-fed asynchronous generator in detail. According to the merits and demerits of wind generators, the paper shows the development trend of wind power generators in the future.Key words: wind power generator; permanent magnet synchronous generator; doubly-fed asynchronous generator; 引言在能源短缺和环境趋向恶化的今天，风能作为一种可再生清洁能源，日益为世界各国所重视和开发。由于风能开发有着巨大的经济、社会、环保价值和发展前景，近20年来风电技术有了巨大的进步，风电开发在各种能源开发中增速最快。德国、西班牙、丹麦、美国等欧美国家在风力发电理论与技术研发方面起步较早，因而目前处于世界领先地位。与风电发达国家相比，中国在风力发电机制造技术和风力发电控制技术方面存在较大差距，目前国内只掌握了定桨距风机的制造技术和刚刚投入应用的兆瓦级永磁直驱同步发电机技术，在风机的大型化、变桨距控制、主动失速控制、变速恒频等先进风电技术方面还有进一步研究和应用。发电机是风力发电机组中将风能转化为电能的重要装置，它不仅直接影响输出电能的质量和效率，也影响整个风电转换系统的性能和装置结构的复杂性。风能是低密度能源，具有不稳定和随机性特点，控制技术是风力机安全高效运行的关键，因此研制适合于风电转换、运行可靠、效率高、控制且供电性能良好的发电机系统和先进的控制技术是风力发电推广应用的关键。本文分析比较了各种风力发电机的优缺点，介绍了相关风力发电控制技术，最后对未来风力发电机和风力发电控制技术作了展望。1：笼型感应发电机恒速恒频风力发电机组在笼型发电机恒速恒频风力发电机组中，风轮通过多级升速齿轮箱驱动笼型感应发电机，发电机通过双向并联晶闸管和变压器与电网连接，同时一个旁路接触器与晶闸管并排连接在发电机定子绕组与变压器之间。 1）笼形异步发电机也被称为恒速风力发电机。原理图如下。发电机通过变压器直接接入电网。因为笼型异步发电机只能工作在额定转速之上很窄的范围内,所以通常称之为恒速风力发电机。并网运行时,异步发电机需要从电网吸收滞后的无功功率以产生旋转磁场,这恶化了电网的功率因数,易使电网无功容量不足,影响电压的稳定性。其工作原理是利用电容器进行无功补偿，在高于同步转速附近作恒速运行，采用定桨距失速或主动失速桨叶，单速或双速发电机运行。优点： 由于电机转子整体强度、刚度都比较高，不怕飞逸，比较适合风力发电这种特殊场合，所以笼型异步发电机发展很快。 缺点： 随着风力发电应用的深入,恒速笼型异步发电机具有的一些固有缺点逐步显现出来,主要是笼型异步发电机转速只能在额定转速之上1% 5%内运行,输入的风功率不能过大或过小,若发电机超过转速上限,将进入不稳定运行区.因此,在多数场合需将2台分别为高速和低速的笼型异步发电机组合使用,以充分利用中低风速的风能资源。风速的波动使风力机的气动转矩随之波动,因为发电机转速不变,风力机和发电机之间的轴承、齿轮箱将会承受巨大的机械摩擦和疲劳应力.而且,由于风力机的速度不能调节,不能从空气中捕获最大风能,效率较低.齿轮箱的存在增加了风力机的重量和系统的维护性,影响了系统效率,增加了噪声。笼形异步发电机原理图2：双馈异步变速恒频风力发电机组在双馈异步风力发电机组中，风轮通过多级升速齿轮箱驱动双馈发电机，发电机定子绕组通过接触器和变压器与电网连接，转子绕组通过能够四象限运行的变流器和变压器与电网连接。 有刷双馈异步发电机：流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率,该转差功率仅为定子额定功率的一小部分为同步速附近30%左右,因此,与转子绕组相连的励磁变换器的容量也仅为发电机容量的30%左右。所以可以通过控制转差频率可实现发电机的双馈调速。此种电机是有刷结构，运行可靠性差，需要经常维护，并且此种结构不适合于运行在环境比较恶劣的风力发电系统中。但是采用双馈发电方式,突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念,使原动机转速不受发电机输出频率限制,而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响,变机电系统之间的刚性连接为柔性连。 无刷双馈异步发电机：其基本原理与有刷双馈异步发电机相同，主要区别是取消了电刷，此种电机弥补了标准型双馈电机的不足，兼有笼型、绕线型异步电机和电励磁同步电机的共同优点，功率因数和运行速度可以调节，因此适合于变速恒频风力发电系统，其缺点是增加了电机的体积和成本。原理图同有刷相同。有刷双馈异步发电机原理图3：永磁直驱风力发电机组在永磁直驱风力发电机组中，风轮直接驱动多极低速永磁同步发电机，发电机定子绕组输出的电流通过三相不控整流桥整流为直流，然后通过一个直流升压斩波电路提高电压等级，最后通过三相全控逆变器、扼流电抗器和变压器送入电网。永磁同步发电机采用永磁体励磁，无需外加励磁装置，减少了励磁损耗；同时它无需换向装置，因此具有效率高，寿命长等优点。由于在定子侧采用全功率变换器,实现变速恒频控制.系统省去了齿轮箱,这样可大大减小系统运行噪声,提高效率和可靠性,降低维护成本。随着风机单机容量的增大,齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出,于是没有齿轮箱而将主轴与低速多极同步发电机直接相接的直驱式布局应运而生.但是,低速多极发电机重量和体积均大幅增加。此种发电机极对数较多，且操作上同时具有同步电机和永磁电机的特点，因此适合于采用发电机与风轮直接相连、无传动机构的并网形式。永磁同步发电机原理图4：电励磁同步发电机恒速恒频风力发电机组在电励磁同步发电机恒速恒频风力发电机组中，风轮通过多级升速齿轮箱驱动电励磁同步发电机，发电机通过定子接触器和变压器与电网连接，采用三相半控整流器以并励励磁的方式向同步发电机提供励磁电流。电压源型逆变器的直流侧提供电机转子绕组的励磁电流,发电机发出的是电压和频率都在变化的交流电,经整流逆变后变成恒压恒频的电能输入电网.通过调节逆变装置的控制信号可以改变系统输出的有功功率和无功功率,实时满足电网的功率需要.在变速恒频直驱风力发电机组中,整流逆变装置的容量需要与发电机容量相等。近年来，采用同步发电机来代替异步发电机是风力发电系统的一个主要技术进步。此种发电机极数很多，转速较低，径向尺寸较大，轴向尺寸较小，可工作在起动力矩大、频繁起动及换向的场合，并且当与电子功率变换器相连时可以实现变速操作，因此适用于风力发电系统。电励磁同步发电机原理图直驱式永磁风力发电机直驱式永磁风力发电机的材料1. 永磁材料的种类：1）永磁材料的种类很多，其中价格很便宜，应用最广泛的是铁氧体永磁材料,但是它的性能差，磁积能较低；2）衫钻稀土永磁材料的性能十分好，磁积能非常高,但价格却很贵;3）钦铁硼(NdFeB)永磁体的各项指标介于二者之间,比较适合用于制造普通永磁电机。2.3. 材料要求1） 为获得高功率密度，永磁材料应具有足够的剩磁密度，磁感应强度，矫顽力及最大磁能积；2）永磁材料应具有较好的磁性能，包括热稳定性，磁稳定性，化学稳定性和时间稳定性。尤其是无齿轮箱直驱变速恒频永磁风力发电机的损耗较大，温升较高，因此应选择工作温度点高的永磁材料，使得发电机工作在永磁材料退磁曲线的直线部分；3）经济性要好,价格适宜。通过对以上几个方面的分析可以看出,钕铁硼(NdFeB)永磁材料是较好的选择。钕铁硼永磁材料磁性能高于稀土钴永磁,是目前磁性能最高的永磁材料,而且不含战略物资钴,价格也比稀土钴便宜得多。钕铁硼永磁材料的不足之处是居里温度较低,一般为310410e左右,温度系数较高,在高温下使用时磁损失较大。由于它含有大量的铁和钕,容易锈蚀,必须对其表面进行涂层处理。4. 定子材料：制造电机定子的硅钢片有两种:热轧硅钢片和冷扎硅钢片。热轧硅钢片的磁饱和性能比冷扎的要差一些。由于直驱风力发电机的槽数可能会太多,在设计时就要考虑定子齿磁密和机械强度等问题,因此定子的设计和制造选用冷扎硅钢片。5. 转子材料：转子扼上的磁通变化,但不是交变,而且变化程度也不大。因此,转子辆的设计制造采用普通钢甚至铸铁就能满足要求。永磁同步风力发电机结构电机主要由转子磁轭，励磁永磁体，气隙，定子电枢绕组，定子铁心，定子支架等部分组成。 按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，永磁同步发电机拓扑结构型式分为切向式、径向式、混合式和轴向式四种。根据风力发电场合电机具有低速运行的特点，为了在电机转子上布置较多的永磁体，以及便于风机叶片的安装，永磁同步发电机采用外转子径向式结构。它具有许多优点,如:(1)叶片能方便地装设在转子毂表面前方;(2)转子周长变大,可容许更多极数的设计方式;(3)由于离心力作用在磁铁与转子硅钢片之黏着处,提高了转子的可靠度;(4)在自然风流下散热效果比内转子式好。设计特点1.极数的选择众所周知，同步电机的频率与电机极数和转速存在着固有的关系，即 ：f=pn/60但由于风力发电机并不是定子直接并网运行的，而是通过变流器变换后并网的，因此发电机本身的输出频率并不受严格的限制，理论上发电机可以选用任意极对数。但实际上发电机输频率却与铁耗绕组端部用铜量和铜耗、变流器的开关损耗以及变流器的滤波器件等密切相关，转速一定时极数太少，意味着频率低，对发电机而言，铁耗降低，端部用铜量增大。对变流器而言，开关损耗减小，但滤波器件容量较大，反之则结果相反。因此，极数的选择应合理，通常选择的极数使频率在 20Hz100Hz 范围内较为合理。直驱机组频率较低，高速机组频率取较高值。2.相数的选择严格地说，电机的相数与机组的运行性能无本质的关系，但考虑到可靠性和冗余设计，发电机可以设计成多套三相绕组，使之与多组变流器并联运行，形成冗余的可靠性模型，以提高系统可靠性。3.电磁计算的过程通常的永磁发电机设计时将功率因数作为设计输入值，通过电磁计算得到空载反电势，再验证稳态电压调整率是否符合要求。 而风力发电机的设计流程则不同，它将 E0 作为设计输入，而额定电流和功率因数作为设计输出常规永磁电机设计计算 风力永磁电机设计计算磁通结构永磁风力发电机的电磁结构具有形式多样的特点，通常根据主磁通方向的不同，永磁风力发电机可以分为径向磁通结构、轴向磁通结构。1 径向磁通1.1永磁体贴面式(表面式)贴面式转子结构简单，极数增加容易，永磁体都粘在转子表面上,但是,这需要高磁积能的永磁体(如NdFeB等)来提供足够的气隙磁密。考虑到永磁体的机械强度,高转速此种结构永磁电机还需转子护套。结构及充磁方式如下图所示： 径向充磁 平行充磁 1.2永磁体内埋式（内置式）采用内置式永磁转子结构，电机交直轴磁路不再对称，呈现凸极电机特征。与表面式永相比，提高了永磁体的抗不可逆退磁能力。多用于告诉场合。永磁体内置式根据磁路不同又可分为径向式、切向式以及混合式三种结构。2 轴向磁场轴向磁场电机通常采用无槽结构,从而简化了绕组设计,但是为了减小气隙磁阻,有的也设计成有槽结构。永磁体扁平状,以便于制造。与径向磁通结构相比，轴向磁通永磁风力发电机轴向尺寸短，结构紧凑；电枢绕组端部的长度相对较短，铜耗小，且散热条件好；己有的轴向磁场永磁电机大多为定子无槽式和转子永磁体贴面式结构,其优点是:低启动转矩小，噪声低，轴向长度短，可多台串联。缺点是:直径大，结构稳定性差，永磁材料用量大。双馈风力发电机结构设计要求1） 充分考虑电机运行的恶劣环境，高温，低温，腐蚀，振动，适度提高防护等级和要求。2） 需要对电机做静态，动态，疲劳强度，冲击载荷，波动载荷等计算，使电机结构更为可靠，稳定。3） 充分考虑转子变频器供电队转子的冲击，合理设计电机的冲击，合理设计电机的绝缘结构，适当提高耐电压等级。4） 由于风力发电机结构非常紧凑且运行工况复杂，就需要设计一套合理的冷却系统，兼顾效率和冷却效果。双馈异步风力发电机的结构双馈异步风力发电机是绕线式异步发电机的一种，其定子绕组直接接入交流电网，转子绕组端接线由 3 只滑环引出，接至 1 台频率、电压可调的低频电源（循环变换器） 供给三相变频（低频）交流励磁电流。恒速恒频风力发电机系统一般使用同步电机或者鼠笼式异步电机作为发电机，通过定桨距失速控制的风轮机使发电机的转速保持在恒定的数值，继而保证发电机输出的电压、频率和幅值的恒定，其运行范围比较窄。变速恒频风力发电机系统，当风机的风叶转速发生变化时，风力系统控制器首先调整桨距，使得风叶的转速保持在规定的范围内。同时风力系统控制器调节转子上电流的频率，保证定子总是发出 50 Hz 的电能。当转子转速低于电机同步转速时，转子处于发电状态，否则处于电动状态，即需要从电网中提供能量。原理当转子绕组通过三相低频电流时，在转子中形成一个低速旋转磁场。这个磁场与转子的机械速度相加就等于定子旋转场的转速，也就是同步转速。令转子绕组旋转磁场转速为nr，转子的机械转速为n2，定子同步转速即为n1。所以有n1=n2+nr。从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。f2= 发电机机械频率，fr= 转子磁场电流频率，f1= 定子磁场同步频率。则有：f1=f2+fr。当风速发生变化时，转速nr随之变化。在nr变化的同时，相应改变转子电流的频率和旋转磁场的速度n2，以补偿电机转速的变化，保持输出频率恒定不变。 当 n2n1时，双馈发电机处于超同步运行，fr取负号。此时变频器向转子提供交流励磁，同时转子绕组输出有功功率，这时达到定转子同时输出功率，即双馈发电。电磁设计特点1） 转子与变频器相连，需要计算励磁容量，同时计算变频器谐波的影响。2） 变速恒频使得需要详细计算电机的功率特性，确保输出符合要求。同时对电网电压，频率，电机转速变化所造成的冲击有一定的考虑。3） 双馈风力发电的运行工况多，记载超同步，亚同步转速下均可发电，且在无工特性不同的情况下都需要考虑电机的运行能力，因此考核的工作点多，计算相对复杂。并网运行中的问题l)风电能源的增长速度远远超过原有的计划标准,造成产能过剩问题表现突出。由此导致风力发电并网运行质量堪忧。2)风力发电并网运行过程当中需要充分考虑电力市场的影响因素。考虑到风电场运行系统出力作业的随机性影响,可以确保供电作业过程当中电能质量的稳定提升,需要针对风电场的运行影响作出合理预测,然而现阶段有关此类问题的研究还不够充分与成熟。3）风力发电场当中设置有大量的异步电机装置，导致发电厂并网系统当中的并联电容器组装置相对于无功功率的补偿特性呈现出显著下降,由此导致局部电力系统出现电压失稳问题。4）风电场在采用环流装置相对于电力系统进行接人作业的过程当中,相关作业人员所进行的谐波分析计算作业会使得风电场装机容量受到电能质量的严重影响与限制。并网运行控制目前，变速恒频风力发电机的并网方式主要有空载并网，带独立负载并网，孤岛并网。空载并网和带独立负载并网 2 种方式中，转子励磁变流器直接与电网相连，双馈电机定子与电网经过开关相连。而孤岛并网方式则是定子与转子励磁变换器直接连接，再经过开关连接到电网，电网经过预充电变压器与直流母线电容连接。结语根据中国“十二五”能源发展产业规划，风电作为我国今后大力重点发展的 3 类新能源之一，在今后将具有广阔的发展和应用前景，风力发电在摆脱对化石能源的过度依赖、缓解中国能源紧缺、改善生态环境和扩大社会效益等方面将做出较大的贡献。本文对风力发电的发展状况，如风电系统的类型、风电系统中常用的发电机以及相关技术，如结构设计、远程监控、低电压穿越、新型并网技术等进行了探讨，希望以此为我国风电行业的健康稳步发展提供参考。随着风电技术的不断变革以及机组制造工艺的持续改进，将来风力发电的竞争力必定逐渐提升，其发展前景广阔。参考文献1李军军，吴政球，谭勋琼，陈波.风力发电及其技术发展综述J电力建设,2011,34(8):64 -72.2郭 冰.直驱永磁风力发电机发展及其设计方法综述J微特电机,2007,(11):56-59.3尹 明，李庚银，张建成，赵巍然，薛轶峰.直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略J电 网技术,2007,31(15):61-654张 岳, 王凤翔.直驱式永磁同步风力发电机性能研究N电 机与控制学报,2009,13(1):78-825夏长亮.永磁风力发电系统及其功率变换技术J电工技术学报,2012,27(11):1-116高仕红，张昌华，耿东山，李绍武.提高双馈式风力发电机故障穿越能力的控制策略J电力系统保护与控制,2013,4(15):126-1327周建.双馈异步发电机设计准则和方法研究R上海中型电机，20118锺步青.双馈型感应风力发电机设计中的几个问题探讨J电机技术，2010，（4）9刘明山.双馈型风力发电机工作原理jCFHI TECHNOLOGY,2009,131(5):1-310李宾宾，丁明，韩平平.双馈感应风力发电机故障穿越特性及其控制J中国电力,2011，44(9):10-1611吴冰,王建良.双馈风力发电机运行原理分析J电器开关，2008,612张劲松，刘连根，徐凤星，佘 岳.双馈风力发电机并网方法的原理分析及仿真实验研究J大功率交流技术，2010,38(4):38-4113王晓红.绕线型双馈异步风力发电机设计要点J防爆电机，2010,45(4):4-1014李军军，吴政球，谭勋琼，陈波.风力发电及其技术发展综述J电力建设，2011,32（8）：64-7215张新燕，何 山，张晓波，周培毅，王维庆.风力发电机组主要部件故障诊断研究N新疆大学学报(自然科学版),2009，26(2):140-14116唐建平，王立鹏.风力发电机组J大功率电流技术，2010,(3):33-3817刘细平,林鹤云风力发电机及风力发电控制技术综述J大电机技术，2013,17（3）18陈碧波,卢沛玄.风力发电并网运行的影响和相应对策J科技传播，201219王广军.大型风力发电机的发展状况J应用科技，201020王萌.电网故障下双馈风力发电系统功率变换器运行控制D天津大学，2012（5）21梁建伟，刘细平，杨勇.2KW直驱式永磁同步风力发电机设计与仿真J微特电机，2007，（7）：13-3422朱 燕.1.25 MW双馈异步风力发电机设计N上海电机学院学报,2009,12(1):84-86