（电机与电器专业论文）交流励磁变速恒频风电系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u se n l a r g e m e n ti n c a p a c i t yo faw i n d p o w e rg e n e r a t o r , t h e e f f i e i e n c yi m p r o v e m e n t o fe l e c t r i cp o w e r g e n e r a t i o bh a d b e e nb e c o m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n t n l ev a r i a b l e - s p e e dc o n s t a n t f r e q u e n c y s c f ) p o w e rg e n e r a t i o n ，w h i c h i ss e r v e dt or e a c hm a x i m u mw i n d e n e r g yc a p t u r i n ga n du t i l i z a t i o nf o rav a r i a b l e b l a d e p i t c hw i n d - t u r b i n e ，i s t h e s t u d y i n gh o t - s p o t o ft h e w i n d p o w e rg e n e r a t i o n t e c h n i q u e a t p r e s e n t i n t h ep a p e r , t h et e c h n i c a l a p p r o a c h o fv s c fw i n dp o w e r g e n e r a t i o nu s i n ga ce x c i t e dd o u b l y - f e di n d u c t i o ng e n e r a t o rw a sc o m p r e h e n s i v e l y i n v e s t i g a t e df r o mn l e o r y t op r a c t i c e f r o ms i m u l a t i o nt oe x p e r i m e n t t i l i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e dt h ep e r f o f i n a n c ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h eo p e r a t i o n p r i n c i p l e o fo p t i m u mu t i l i z a t i o no fw i n d e n e r g y t h e f e a s i b i l i t y t oi m i t a t e 山e m a x i m u mo u t p u tp o w e tc u r v eb yu s i n gt h ed cm o t o rh a sb e e nt e s t i f i e d b yt h e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e u t t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h ei m i t a t i o n s y s t e m i s p r o p o s e da n dt h ee f f e e t i v e n e s so ft h es y s t e mh a sb e e np r o v e db yt h el a b o r a t o r y e x p e r i m e n t ss u c c e s s f u l l y s e c o n d l y , t oa c h i e v et h ei n d e p e n d e n tr e g u l a t i o no fa c t i v e a n dr e a c t i v ep o w e r o u t r i u tf r o mt h eg e n e r a t o rs i d ew h i c hi sd e s i g n e df o rt h ep u r p o s e o f t r a c i n g t h em a x i m u mw i n d e n e r g y c a p t u r i n g t h ep a p e r h a s a n a l y z e d t h e m a t h e m a t i em o d e lo ft h ea ce x c i t e d d o u b l y f e dm a c h i n ea n dt h e s t a t o rf i e l d o r i e n t a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yo ft h em o t o ra sv s c fw i n dp o w e r g e n e r a t o r t h i r d l y , i th a s p u t f o r w a r da n dd e s i g n e dt h ed u a lp w me o n v e r t e r 、i mt h ec a p a c i t yo fe n e r g y f l o w i n gb i d i r e c t i o n a la i m e da tt h ed e m a n do fr o t o re n e r g yb i d i r e c t i o n a lf l o w t h e a n t h o rc o n s t r u e t e dr e l i a b l ea n di n t e g r a t e de x p e r i m e n t a ls y s t e ma n dd i das e r i e so f e x p e r i m e n t a ls t u d yi n e l u d i n gn o - l o a d c u t t i n g - i nn e t w o r k a n dp o w e r g e n e r a t i o na t ， b e l o wa n da b o v et h es y n c h r o n o u ss p e e d t h er e s u l to f t h es i r e u l a f i o na n de x p e r i m e n t a l lv a l i d a t e dt h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo f 也e o r e t i c a lm o d e la n dc o n t r o ls t r a t e g y k e y w o r d s ：a ce x c i t a t i o n ；v a r i a b l e s p e e dc o n s t a n t - f r e q u e n c y ；w i n d p o w e rg e n e r a t i o n w o u n dr o a r d o u b l y - f e di n d u c t i o nm a c h i n e ：b a c k - t o - b a c kp w m c o n v e r t e r l l 浙江火学硕士学位论文 第一章绪论 摘要；本章简要介绍了风力发电的国内外发展现状，然后列举目前主流的几种风电技术及其优 缺点以及未来风力发电技术的发展方向，本文选题的背景、意义及主要研究内容和结构安排 1 1 风力发电事业的历史和现状 自1 9 9 2 年联合国环境与发展大会之后，可持续发展的思想开始深入人心。气候 变化等环境问题已经成为世界性的重要政策课题。“开发利用可再生能源，改善能源 结构，减排温室气体，保护环境”已成为了世界各国政府的共识。一场世界性的开 发利用新能源的浪潮已经到来【1 6 】。 新能源又称可再生能源，包括太阳能、风能、地热能、潮汐能和生物能等。在 新能源中，风电之所以能脱颖而出，在于随着风电技术的进步，单机容量越来越大， 风电成本已低到可以和常规能源相比较了。而其他新能源，如太阳能、海洋能等， 发展不如风电，就是因为目前它们的发电成本太高了。 2 l 世纪被称为风力新世纪。风能的利用可分为四个时代：第一代为2 0 世纪先 驱时代( 到1 9 7 3 年，从古典的荷兰风车向现代风轮机变迁的时代) ：第二代为取代石 油和资源多样化时代( 石油危机的1 9 7 3 年到2 0 世纪8 0 年代) ，开发了大型的m w 级 风电机组，实现了群体化的风电场，并走向商业化；第三代为防止地球温暖化时代 ( 2 0 世纪9 0 年代) ，除了欧美先进国家外，风电的发展已扩大到印度、中国、埃及、 中南美等世界各地；第四代即风力新世纪( 2 1 世纪) ，作为一项防止地球变暖的关 键技术，风电正在质量及其能力等方面进一步发展【1 7 】。 1 1 1 国外风力发电的现状和发展趋势 风力发电具有显著的环保效益。风力发电每1 千瓦时电一般可减少消耗0 3 1 o 3 4 蚝标准煤，同时还会减少排放c 0 2 0 8 5 3 0 9 3 5 k g ，以及一定数量的n 0 2 ，s 0 2 及粉尘灰碴等。c 0 2 会导致温室效应，空气中的n 0 2 和s 0 2 会产生酸雨，粉尘污染 空气，灰碴需占用土地堆放和处理。在世界各国重视环保、强调能源节约的今天， 风力发电对改善地球生态环境，减少空气污染有着非常积极的作用，世界各国都越 来越重视风力发电。 1 9 9 4 年全世界风力发电总装机容量为3 5 0 万千瓦，2 0 0 0 年已增加到1 7 5 0 万千 瓦。2 0 0 1 年世界风力发电装机容量的增长率达到3 9 ，风力发电能力已达2 4 0 0 万 千瓦。近五年来，世界风力发电装机容量的年增长速度为3 5 一5 0 ，风力发电已 浙江犬学硕士学位论文 进入快速发展时期。作为无污染的可再生能源，风能具有极大的开发价值，风力发 电前景广阔。据有关部门预测，在2 0 0 1 - - 2 0 0 5 年的5 年期间，全世界新增风力发电 设备的发电能力约为3 9 0 0 万千瓦，到2 0 l o 年全世界总装机容量会超过1 4 亿千瓦。 预计2 0 2 0 年的世界风力发电量将占全世界总发电量的1 0 。德国被称为世界风车 冠军，目前风力发电装机容量居世界首位，以下依次是美国、西班牙、丹麦和印度。 近年来，风力发电技术在世界各国迅猛发展，特别在注重环保的欧洲国家，国 家对风力发电实施优惠政策，倍加鼓励，发展很快，发展规划也不断修改，步伐加 大。比如欧洲1 9 9 7 年重新制订的近期发展规划就比原来1 9 9 1 年的调了一番。在欧 洲过去1 0 年间，风力发电机组总装机容量增加了1 0 倍，风力发电成本下降了6 0 ， 北欧一些国家风电已占到总发电量的5 一1 0 。风力发电和水力发电一起有效地 改善了这些国家的电力结构，减少了大气污染，对保护我们共同的家园地球起 到了重要的作用【2 。j 删。 目前，丹麦、德国、西班牙等国家的风力发电机组的技术水平和生产能力处在 世界领先水平，这些国家的水平轴6 0 0 k w 级的风力发电机组设计技术和制造水平 已经成熟并形成较强的生产能力，是当前国际风机市场上的主导机型。兆瓦级风力 发电机组在丹麦、德国已进入批量生产阶段，据最新报道，丹麦单台功率2 兆瓦的 风机2 0 0 0 年已批量生产并销往摩洛哥等国，而德国2 0 0 0 年初已开始试制单台功率 为5 兆瓦的风机。 该地区风力发电最发达的国家是丹麦、德国与荷兰。丹麦1 9 9 9 年的风电装机容 量为1 7 3 0 m w ，风电量已占到全国总电量的3 ，目前还有5 个1 5 万k w 的风电场在建， 到2 0 3 0 年计划风电量达到本国总电量的4 0 。德国1 9 9 4 年就完成了2 5 0 m 1 】计划， 风力发电增长迅速。1 9 9 8 年风电设施共有1 0 1 0 套并网发电，总功率为7 9 3 4 6 m w ， 累计装机已达3 0 0 0 m w ，风电产量达到4 5 亿k w h ，比1 9 9 7 年增长了5 0 ，风电占全 国电力生产最的1 ，并在1 9 9 9 年投产了风电1 5 0 0 m w ，全国风电总装机累计达到 4 4 4 0 m w ，风电量已占到全国总电量的1 5 。荷兰已建成风电3 2 9 m w 。英国从环境上 考虑，也拟引进大型风力发电机计划，已建成3 2 8 m w 的风力发电场，到2 0 0 2 年计划 达到9 7 8 m w 的总装机容量，可以达到全国电力消费的3 。 由于欧洲的土地少，为提高土地的利用率，各国正在从事更大功率的风力发电 机的研制与引进工作。海上风车田也进入实际应用阶段【1 7 j 。 在美洲。美国的风力发电规模较大。1 9 9 7 年末，总装机容量达到1 6 1 1 m w 。美国 的风力发电场大都集中建在西海岸的加利福尼亚地区。8 0 年代初期，风力发电机占 主流的是1 0 0 k w 以下的小型机，目前3 0 0 - 5 0 0 k w 的发电机已成为风力发电机的主流。 建场地区已由过去集中于加州逐步向外扩展，美国中、西部地区也拟出了建设风电 场的计划。目前美国风力发电总量己达1 7 0 0 m w 。到2 0 0 2 年，计划装机容量达到 2 浙江大学硕士学位论文 2 8 8 6 m w 。 据美国能源部称，2 0 1 0 年风电至少能达到国内电力消耗量的1 0 。近十年，美 国在大型风轮机的生产方面投资年均增长率达2 2 ，1 9 9 7 年共投资7 5 亿美元，风 电成本的目标是4 美分k w 。 一些亚洲国家也在大力开发风电。据印度非常规能源部对印度2 5 个邦的调查， 印度的风力资源估计为2 万胂。印度的风电业发展较快，8 0 年代后期开始建大型风 电场。到1 9 9 5 年。总装机容量已达6 0 1 m w ，1 9 9 6 年有风力泵3 1 5 8 台，风电场功率 为7 3 3 m w ，1 9 9 7 年末达到9 4 0 m w ，计划到2 0 0 2 年总装机容量达到1 9 4 0 m w 。日本建成 的风力发电场规模不大，1 9 9 7 年末为2 9 m w 。1 9 9 9 年投资4 5 亿日元，在北海道安装 2 0 台1 0 0 0 k w 风轮机，建成日本最大的风电场。计划在未来几年里投资额将达到1 0 0 0 亿日元，使风电达到全国电力总消耗量的7 以上1 1 8 】i t 9 2 h 。 1 1 2 国内风力发电的现状和发展动态 我国地域辽阔，地处北纬阳光充沛的亚热带地区。据专家预测，我国风能储量 大，分布面广，全国大约有2 3 的地区为多风地带。全年平均风速3 m s 及以上的时 间达3 0 0 0 5 0 0 0 h 。平均风能密度为l o o w m 2 ，可开发的风能资源约2 5 3 亿k w 。 我国风力发电从2 0 世纪8 0 年代开始起步，到2 0 0 1 年底全国累计风电装机总容 量达到4 0 万k w 左右，风电场发展到2 6 个。其中达坂城风电场累计安装风力发电 机组1 7 2 台，装机容量达到9 2 万k w ；南澳风电场安装风力发电机组近百台，装机 容量达到4 8 万k w ；内蒙辉腾勒风电场装机容量也超过3 万k w ；福建的坪潭、大 连横山、浙江舟山、上海崇明也都在规划建设5 0 0 k w 、6 0 0 k w 容量不等的风力发电 场，为解决无电地区农牧民生产生活用电发挥了重要作用。我国自主开发的 2 0 0 3 0 0 k w 级风电机组的国产化率已超过9 0 ；6 0 0 k w 机组样机的国产化率达到 8 0 左右。我国具备了自行研制开发容量从1 0 0 w 到1 0 k w 的1 0 多种小型风力发电 机的能力，还开发了一批风光、风柴联合发电系统。 虽然我国近几年风电发展很快，装机量以每年2 0 以上的速度递增，但风电仍 仅占全国电力总装机的o 1 l ，因此我国的风力发电目前仍处于起步阶段。企业生 产规模小，工艺技术落后，一些原材料和产品国产化程度低，加大了产品的生产成 本。为更好地实施国家可持续发展和西部大开发战略，国家计委、科技部、国家经 贸委制定了新能源和可再生能源产业发展的“十五”规划田】【2 3 】，其中包括国家的光 明工程和8 6 3 计划后续能源技术主题等国家重大科技发展计划。指导思想是以市场 为导向，选择成熟的、具有市场前景的技术、产品作为产业发展的重点，提出合理 的发展目标，制定符合市场发展的产业政策。采取规范市场的措施。进一步推动新 能源和可再生能源技术的开发和应用。重点是开发6 0 0 k w 及以上风力发电机组，实 3 浙江大学硕士学位论文 现规模化生产：研究开发无齿轮箱、多级低速发电机、变速恒频等新型风力发电机 组：提高1 0 k w 以下离网型风力发电机的生产技术水平，推广风光互补、风柴互补 和风光柴联合供电系统。主要目标是：2 0 0 5 年并网风力发电装机容量达到1 2 0 万 k w 。形成约1 5 - - 2 0 万k w 的设备制造能力，以满足国内市场需求。到2 0 1 5 年新能 源和可再生能源年开发量达到4 3 0 0 万吨标准煤，占我国当时能源消费总量的2 ： 该产业将成为国民经济的一个新兴行业，拉动机械、电子、化工、材料等相关行业 的发展，对减轻大气污染、改善大气环境质量作用明显，将减少3 0 0 0 多万吨的温室 气体及2 0 0 多万吨二氧化硫等污染物的排放，提供近5 0 万个就业岗位。可见，有了 国家的重视和政策的支持，作为主要可再生能源的风力发电行业，也必将有广阔的 发展前景睇”1 2 5 。 1 2 风力发电技术的现状和发展方向 1 - 2 1 风力发电技术的研究发展现状 风能。作为一种绿色能源，日益受到专家学者的重视。同时，风力发电技术也 逐渐成为科研人员研究的热点。风力发电的过程就是风能经由机械能转换为电能的 过程，其中风力发电机及其控制系统负责将机械能转换为电能。这一部分是整个系 统的核心，直接影响着整个系统的性能、效率和电能质量，也影响到风能吸收装置 的运行方式、效率和结构。因此，研制适用于风电转换的高可靠性、高效率、控制 及供电性能良好的发电机系统，是风力发电技术的研究重点。风力发电系统的两个 主要部件是风力机和发电机，下面着重介绍一下这两方面技术的研究概况。 一、基础理论：一 风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。由空气动 力学特性可知，通过叶轮旋转面的风能不能全部被叶轮吸收利用，可以定义出一个 风能利用系数c 。： c d = e e l 。= p 。p 、v( 1 2 1 ) 式中：e - _ t 时间内叶轮吸收的风能； e i i _ _ t 时间内通过叶轮旋转面的全部风能； p 。一单位时间内叶轮吸收且转换的机械能，即风力机的机械输出功率： p 。一单位时间内通过叶轮扫掠面的风能即风力机的输入功率。 对一台实际的风力机，其捕获风能转变为机械输出功率p 。的表达式为 只= o 5 p a c p v 3 = 詈胪vc p ( 1 2 2 ) o 式中：p 空气密度( k g m 3 ) ； 4 浙江大学硕士学位论文 a 叶轮的扫掠面积( m 2 ) ； d 一叶轮的直径( m ) 。 。 系数c p 反映了风力机吸收利 翁。 用风能的效率，是一个与风速、叶 鞘o 轮转速、叶轮直径均有关系的量。 鑫0 风力机的特性通常用风能利用系数 f0 c 。叶尖速比九曲线来表示，如图 1 1 所示。不同浆距角b 时，风能利 用系数c 。对应的叶尖速比 不同。 叶尖速比 = r q ，v 叶尖速比 图1 1风力机的特性曲线 ( 1 2 3 ) 式中：r 为叶轮半径( m ) ； q 。风力机的机械转速( r a d s ) ； v 作用于风力机的迎面风速( m s ) 。 对于同一c 。，风力机可能有两个运行点，它们分别对应于风力机的离风速运行 区和低风速运行区。当风速变化时风力机的运行点将要发生变化。 风力机的整体设计和相应的运行控制策略应尽可能追求c 。最大，从而增加其输 出功率。然而实际应用中输出功率的提高却受到两方面的限制：一方面是电气回路 中元器件的功率限制；另一方面是机械传动系统结构部件存在转速上限。因此风机 存在三个典型运行状态：保证恒定c 。，控制风力机转速( 维持 不变) 直到转速达到 极限：风力机以恒定速度运行，通过调节风力机可使c 。具有较大数值，直到最大输 出功率；当风速过大。输出功率达到极限时风力机按恒定功率控制，使输出功率限 制在额定值附近【2 6 l ( 2 7 1 【2 8 】【2 9 1 。 二风力发电技术现状 在风力发电技术方面，目前世界上流行的风电技术主要有以下几种： l 、定浆距调节风电机技术。这种技术是典型的丹麦风电技术的核心。其基本原 理是利用浆叶翼型本身的失速特性。在高于额定风速的条件下，气流的攻角增大到 失速条件，使浆叶的表面产生涡流，效率降低，达到限制功率的目的。其优点是： 调节简单可靠，控制可大大简化；其缺点是：浆叶、塔架等主要受力部件的受力增 大。现在国际上6 0 0 k w 以下的机组，大部分仍在使用该技术，如m f g m i c o n 、 b o n u s 、n o r d e x 等著名厂商都采用该技术。 2 、变浆距调节风电机技术。由于自然界中的风速变化快且无规律，因此一般的 调节方法跟不上因风速变化带来的输出功率的变化，造成功率变化极大，而这种输 出功率的变化将增加机组的负荷对电网冲击很大。最典型的变浆距调节风电机技 浙江大学硕士学位论文 术一v e g t a s 技术，采用高滑差发电机，相当于在传动链中增加了一个弹性环节，使 输出功率的变化大大减少。变浆距调节风电机技术的优点是：浆叶受力较小，因此 风电机的结构部件可做得比较轻巧；其缺点是：结构复杂。 3 、主动定浆距调节技术。这种方法是上述定浆距调节技术和变浆距调节技术两 者的结合。目前，国际上几大风电机制造商。如m f g m i c o n 、b o n u s 等，在大 于6 0 0 k w 风电机上均采用此技术。这种方法的主要特点是：浆叶采用定浆距失速 调节型，调节系统采用变浆距调节系统。输出功率在额定功率以下时，调节方式与 变浆距方式相同；输出功率在额定功率以上时，调节方式与定浆距方式相同。主动 定浆距调节技术的主要优点是：输出功率变化小、较平稳。 4 、变速恒频技术。理论上来说这种技术是最优化的调节方式。目前使用变速恒 频技术的制造商主要是德国的e n e r c o n 、荷兰的l a r g e w a y 。这种调节方法在输出功 率低于额定功率之前使效率达到最高。但当输出功率大于额定功率，即风速大于额 定风速后，其调节方式将与变浆距方式相同。恒频装置价格昂贵，是这种技术只在 德国大量使用，而其他国家很少采用的主要原因【3 2 1 。 1 2 2 风力发电技术发展趋势 大型风力发电机的设计向优良的发电质量、减少材料利用率、减少噪音、降低 成本、提高效率的方向发展f 3 3 】。 一、限制功率输出方式 一般来说，在1 2 1 6 m s 的风速区，大型风力发电机的功率输出可达到额定 值。超过此风速区，必须降低叶轮的能量捕获，使功率输出保持在额定容量附近， 同时减少叶片承受负荷和整个风机受到的冲击，保证风机不受损害。当前普遍采 用的限制功率输出方式有以下几种。 1 、定浆距失遮调节 风力机的功率调节完全依靠叶片颦 的气动特性，称为定浆距风力发电机 邑 组。这种机组的输出功率随风速的变化 而变化，从c 。的关系看，难以保证在 额定风速之前c 。最大，特别是在低风 速段。这种机组通常设计有两个不同功 率，不同极对数的异步发电机。大功率 风速如，t ) 图1 2风力机组功率特性曲线 高转速的发电机工作于高风速区，小功率低转速的发电机工作于低风速区，由此来 调整x ，追求最佳c p 。当风速超过额定风速时，通过叶片的失速或偏航控制降低 c 。，从而维持功率恒定。实际上难以做到功率恒定，通常有些下降，如图1 2 所示。 5 浙江大学硕士学位论文 2 、变浆距调节 变距调节方式是通过改变叶片迎风面与纵向旋转轴的夹角，从而影响叶片的升 力和阻力，限制大风时风机输出功率的增加，保持输出功率恒定。采用变距调节方 式，风机功率输出曲线平滑。变距调节的风力发电机在阵风时，塔简、叶片、基础 受到的冲击较之失速调节型风力发电机要小得多，可减少材料使用率，降低整机重 量。由于变距调节型风机在低风速时，可使桨叶保持良好的攻角，比失速调节型风 机有更好的能量输出，因此比较适合于平均风速较低的地区安装。 变距调节的另外一个优点是，当风速达到一定值时，失速型风机必须停机，而 变距型风机可以逐步变化到一个桨叶无负载的全翼展模式位置，避免停机，增加风 机发电量。 变距调节的缺点是对阵风反应要求灵敏。失速调节型风机由于风的振动引起的 功率脉动比较小，而变距调节型风机则比较大，尤其对于采用变距方式的恒速风力 发电机，这种情况更明显，这样就要求风机的变距系统对阵风的响应速度要足够快， 才可以减轻此现象。 3 、主动失速，混合失速调节 这种调节方式是前两种功率调节方式的组合。在低风速时，采用变距调节，可 达到更高的气动效率；当风机达到额定功率后，风机按照变距调节时风机调节桨距 相反的方向改变桨距，这种调节将引起叶片攻角的变化，从而导致更深层次的失速， 可使功率输出更加平滑。这种调节方式综合前两种调节方式的优点，类似变距调节， 但不需要很灵敏的调节速度，大风时整个机组受到的冲击也较小。 二、发电机的变速恒频发电技术 异步发电机作为并网型发电设备的方案可分 为两类：恒速恒频发电系统和变速恒频发电系统。 l 、恒速恒频发电系统 恒速运行的风力机转速不变，而风速经常变 化，因此叶尖比速 不可能经常保持在最佳值， c 。值往往与最大值相差很大，使风力机常常运行 于低效状态。 恒速恒频发电系统中，多采用笼型异步电机 作为并网运行的发电机，并网后在电机机械特性 曲线的稳定区内运行，如图1 3 所示，异步发电 机的转子速度高于同步转速。当风力机传给发电 ， 篓 代 孽 l1 21 41 6 一r 同步转速 划 圈1 3异步电机输出功率曲线 机的机械功率随风速而增加时，发电机的输出功率及其反转矩也相应增大。运行点 发生改变。当转子速度高于同步转速3 5 时达到最大值，若超过这个转速，异 步发电机进入不稳定区，产生的反转矩减小，导致转速迅速升高，引起飞车，这是 浙江大学硕士学位论文 十分危险的。 2 变速恒频发电系统 3 4 l 3 5 1 3 6 1 虽然目前风力发电系统采用最多的异步发电机都属于恒速恒频发电系统，但变 速恒频发电系统可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行的熏耍优点越来越 引起人们的重视。从风力机的运行原理可知，这就要求风力机的转速正比于风速并 保持一个恒定的最佳叶尖速比 ，从而使风力机的风能利用系数c 。保持最大值不 变，风力发电机组输出最大的功率，最大限度的利用风能，提高了风力机的运行效 率。自上世纪9 0 年代开始，国外新建的大型风力发电系统大多采用变速恒频方式， 特别是m w 级以上大容量风电系统，因为此时最大限度捕获风能、提高发电效率的 意义十分重要。 相对于恒速恒频运行而言，变速恒频运行有如下优点： ( 1 ) 系统效率高。变速运行风机以最佳叶尖速比、最大功率点运行，提高了风力 机的运行效率，与恒速恒频风电系统相比，年发电量一般可提高2 0 以上。恒速运 行风机的年运行小时数小于变速运行风机的年运行小时数，输出功率上限也低于变 速运行方式。 ( 2 ) 能吸收阵风能量，把能量存储在机械惯性中，减少阵风冲击对风机带来的疲 劳损坏，减少机械应力和转矩脉动，延长风机寿命。当风速下降时，高速运转的风 轮的能量便释放出来变为电能送给电网。 ( 3 ) 可使变桨距调节简单化。变速运行放宽对桨距控制响应速度的要求，在低风 速时，桨距角固定，高风速时，调节桨距角限制最大输出功率。 ( 4 ) 减少运行噪声。可进行动态功率和转矩脉动补偿。 可用于风力发电的变速恒频发电系统有多种，如交一直一交系统、磁场调制发 电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统、 开关磁阻发电机系统等，这些变速恒频发电系统有的是发电机与电力电子装置相结 合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。这些系统 都有自己的特点，可以适用于各种不同场合。为充分利用风能，应深入研究各种变 速恒频技术。下面对这些系统分别加以简单介绍。 ( 1 ) 交一直一交风力发电系统 这种系统中的变速恒频控制是在电机的定子电路中实现的，如图1 4 所示。由 于风速的不断变化，风力机和发电机也随之变速旋转，产生频率变化的电功率。发 电机发出频率变化的交流电首先通过三相桥式整流器整流成直流电再通过逆变器作 有源逆变变换为恒定电网频率的交流电。因此，变频器的容量和发电机系统的容量 相同。 浙江人学硕士学位论文 图1 4交一直一交风力发电系统 这种系统在并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响；同时由于频率变换装 置采用静态自励式逆变器，虽然可调节无功功率，但有高频电流流向电网。 在此系统中可以采用的发电机有同步发电机、笼型异步发电机、绕线式异步发 电机和永磁发电机。这几种发电机的比较见表1 2 。 表1 2 交一直一交发电系统中发电机的比较 所采用的笼型异步绕线式异步 同步发电机永磁发电机 发电机发电机发电机 转子上有励磁转子为永磁 转子结构绕组和阻尼绕 转子为笼型，结构简单，制转子为绕线型，结构 式结构，维护 造方便，运行可靠较复杂 组，结构较复杂简单 有无电 有无有无 刷、滑环 需要励磁装置由电网取得励磁电流及感由电网取得励磁电 无需外部励 励磁方式及励磁调节装性无功功率，不需要励磁装流，不需要励磁装置 磁 置置及励磁调节装置及励磁调节装置 ( 2 ) 磁场调制发电机系统 这种变速恒频发电系统由一台专门设计的高频交流发电机和一套电力电子变换 电路组成，图1 5 示出磁场调制发电机单相输出系统的原理方框图及各部分的输出 电压波形。发电机本身具有较高的旋转频率，与普通同步电机不同的是，它不用 直流电励磁，而是用频率为f m 的低频交流电励磁( f m 即为所要求的输出频率，一般 为5 0 h z ) ，当频率f m 远低于频率时，发电机三个相绕组的输出电压波形将是由频 率为( + f m ) 和( 矗f m ) 的两个分量组成的调幅波，如图1 5 ( b ) 所示，这个调幅波的包络 线的频率是f m ，包络线所包含的高频波的频率是。将三个相绕组接到一组并联桥 式整流器。得到如图1 5 ( c ) 所示的基本频率为f m 的全波整流正弦脉动波。再通过晶 闸管开关电路使这个正弦脉动波的一半反向，得到图1 5 ( d ) 。最后经滤波器滤去纹 波。即可得到与发电机转速无关、频率为f m 的恒频正弦波输出图1 5 ( e ) 。输出电压 的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位，正是这一特点使得磁场调制发电机非 常适合于并网风力发电系统。 浙江火学硕上学位论文 悔陋陀陪怖1 lv l v m 卅 c b )( c )( d ) ( e ) 图1 5磁场调制发电机系 与前面的交一直一交系统相比，磁场调制发电机系统的特点是： 由于经桥式整流器后得到的是正弦脉动波，输入晶闸管开关电路后基本上 是在波形过零点时开关换向。因而换向简单容易，换向损耗小，系统效率较高。 晶闸管开关电路输出波形中谐波分量很小，且谐波频率很高，很易滤去可 以得到相当好的正弦输出波形。 磁场调制发电机系统的输出频率在原理上与励磁电流频率相同，因而这种 变速恒频风力发电机组与电网或柴油发电机组并联运行十分简单可靠。这种发电机 系统的主要缺点与交一直一交系统类似，即电力电子变换装置处在主电路中，因而 容量较大。比较适合用于容量从数十千瓦到数百千瓦的中小! 魁风电系统。 发电机要经特殊设计，不能利用通常形式的发电机。 ( 3 ) 交流励磁双馈发电机系统 系统如图1 6 所示，采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机，其结构与绕线 式异步电机类似。 当风速变化引起发电机转速n 变化时，控制转予电流的频率，可使定子频率恒 定，即应满足 f l = p + f m + f 2 ( 1 2 4 ) 式中：f l 定子电流频率， f m 转子机械频率， p 电机的极对数； f 2 转子电流频率。 与电网频率相同 f m = n 6 0 ； 当发电机的转速n 小于定子旋转 磁场的转速1 1 l 时，处于亚同步状态， 此时变频器向发电机转子提供交流励 磁，发电机由定子发出电能给电网，式 f 1 2 4 ) 取正号；当n n 1 时，处于超同步 状态，此时发电机同时由定子和转子发 1 0 图1 6并网运行时的交流励磁发电机系 浙江_ 大学硕 ：学位论文 出电能给电网，变频器的能量流向逆向，式( 1 2 4 ) 取负号；当n = n l 时，处于同步状 态，此时发电机作为同步电机运行，f 2 = 0 ，变频器向转子提供直流励磁。 由式( 1 2 4 ) 可知，当发电机的转速n 变化时，即p + f m 变化时，若控制f 2 相应变 化，可使f l 保持恒定不变，即与电网频率保持一致，也就实现了变速恒频控制。 由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交 流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定予额定功率的 一部分，因此图中所示的双向变频器的容量仅为发电机容量的一小部分，这样变频 器的成本将会大大降低。 这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减小变频 器的容量外，在磁场定向矢量控制下还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网 而言可起到无功补偿的作用。但交一交变频器输出特性差，6 脉波、3 6 管交交变 频器输出电压富含低次谐波，严重影响发电质量，必须进行谐波抑制“。只有1 2 脉波、7 2 管交一交变频器结构符合励磁电源要求，但结构、控制复杂，不适合风力 发电系统。目前国际上开发使用p w m 整流一p w m 逆变的交一直一交型变频电源， 具有功率双向流动能力，结构、控制方便，是一种实用的励磁变频器。此外绕线式 交流励磁发电机还有滑环和电刷带来的一些弊病，但仍然不失为一种能实现工业应 用的机组。本文将对该种电机采用双p w m 变频器实现变速恒频的理论、技术、实 现进行详细的研究。 ( 4 ) 无刷双馈发电机系统 系统如图1 7 所示，采用的发电 机为无刷双馈发电机。其定子有两 套极数不同的绕组，一个称为功率 绕组，直接接电网；另一个称为控 制绕组，通过双向变频器接电网， 如图所示。其转子为笼型结构，取 消了电刷和滑环，转子的极数应为 定子两个绕组极对数之和。 公用 电网 图1 7并网运行时的无刷双馈发电机系统 这种无刷双馈发电机定子的功 率绕组和控制绕组的作用分别相当于有刷交流励磁双馈发电机的定子绕组和转子绕 组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着本质的区别，但却可以通过同样的控 制策略实现变速恒频控制。对于无刷双馈发电机，有 l 正= b 。+ p 。) i o ( 1 2 5 ) 式中：f d 定子功率绕组电流频率，由于其与电网相连，与电网频率相同； f 卜定予控制绕组电流频率； p 。定子功率绕组的极对数； 浙江大学硕士学位论文 p 。定子控制绕组的极对数。 超同步时，式( 1 2 5 ) 取“+ ”；亚同步时，取“”。 由式( 1 2 5 ) 可知，当发电机的转速n 变化时，即f m 变化时，若控制f c 相应变化， 可使f p 保持恒定不变，即与电网频率保持一致，也就实现了变速恒频控制。 尽管这种变速恒频控制方案是在定子电路实现的，但流过定子控制绕组的功率 仅为无刷双馈发电机总功率的- - + 部分，这是由于控制绕组的功率为功率绕组功率 的p c ( p ，+ p 。) ，因此图中所示的双向变频器的容量也仅为发电机容量的- - , j , 部分。 这种采用无刷双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，降低变频器的 容量外，还可在矢量控制策略下实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起 到无功补偿的作用，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提 高了系统运行的可靠性。本文将对该种电机的变速恒频方案作理论推导和仿真分析。 ( 5 ) 爪极式发电机系统 无刷爪极自励发电机与一般同步电机的区别仅在于它的励磁系统部分。其定子 铁心及电枢绕组与一般同步电机基本相同。由于爪极发电机的磁路系统是一种并联 磁路结构，所有各对极的磁势均来自一套共同的励磁绕组，因此与一般同步发电机 相比，励磁绕组所用的材料较省，所需的励磁功率也较小。对于一台8 极电机，在 每极磁通及磁路磁密相同的条件下，爪极电机励磁绕组所需的铜线及其所消耗的励 磁功率将不到一般同步电机的一半，故具有较高的效率。另外无刷爪极电机与永磁 电机一样均系无刷结构，基本上不需要维护。与永磁发电机相比，无刷爪极发电机 除了机械摩擦力矩外基本上没有什么起动阻力矩。另一个优点是具有很好的调节性 能，通过调节励磁可以很方便地控制它的输出特性，并有可能使风力机实现最佳叶 尖速比运行，得到最好的运行效率。这种发电机非常适合用于千瓦级的风力发电装 置中。 ( 6 1 开关磁阻发电机系统 开关磁阻式风力发电系统 是以开关磁阻发电机为机电能 量转换核心的，系统如图1 8 所 示。开关磁阻发电机为双凸极电 机，定子、转子均为凸极齿槽结 构，定子上设有集中绕组，转子 _ 毡机 】l ： ；苌 ： 】 【 图1 8开关磁阻式风力发电系 上既无绕组也无永磁体。由此带来变换器及控制、驱动的简洁性。风力机的功率特 性有其自身的特点，为了使风能捕获的效果最佳，就必须使开关磁阻发电机与风力 机能够良好的配合，通过对发电系统的控制使风力机工作在最佳功率负载线上， 开关磁阻发电机本身具有可控参数多、非线性、缺少明确的数学模型的特点。与传 统的有刷直流发电机及旋转整流无刷同步发电机相比，开关磁阻发电机具有明显的 浙江大学硕士学位论文 容错能力强、组合起动与发电容易、适合高温( 2 5 0 c ) 和高速( 3 0 0 0 0 r m i n ) 环境运 行和大容量、高效率及高功率密度运行等优点。该发电机气隙磁场和相磁链随转子 位置和绕组相电流而持续、周期性变化，没有传统电机的稳定磁路工作点，而是一 个动态三维磁空间。开关磁阻发电机没有独立的励磁绕组，而是与集中嵌放的定子 电枢合二为一，并通过控制器分时控制实现励磁与发电，因而简化了结构，提高了 可靠性。同时，该发电机相绕组间无电耦合其容错能力大大增强。另外，开关磁 阻发电机机械结构简单、坚固可靠。 这几种变速恒频系统的性能对比分析见表1 3 。通过对比分析，可知： 表1 3 几种变速恒频方案的对比分析 【变速恒频交一直一 磁场调制交流励磁 无刷顶馈发爪极式发开关磁阻 发电机双馈发电 【控制方案交系统电机系统电机系统发电机系统 系统机系统 变频器能量 单向单向双向 双向单向单向 流动方向 系统全部系统全部系统部分 系统部分系统全部系统全部 变频器容量 容量容量容量 容量容量容量 转速运行 较宽较窄宽宽 窄 宽 范围 并网无电无滑环和电 起动阻力结构简单，电 流冲击，系统效率有功、无刷，既降低 矩小，无需流检测环节 特点发电机工较高。谐功功率可 了成本，又 维护，调节少。主功率器 作频率独波成份少灵活控制提高了可靠 【 性能好件少，成本低 业性 如果将风力机和发电机直接耦合，省去变速箱，这样可以大大降低成本， 减少维护，并且可以降低系统噪音，避免变速箱漏油的问题。 风力发电机位于室外高空狭小而封闭的机舱内，通风条件较差，而电机大 多是密闭结构，靠外壳散热，因此要求发电机耐高温性能好，开关磁阻发电机在这 方面具有得天独厚的优势。 交流励磁双馈发电机系统和无刷双馈发电机系统的变频器容量仅为系统总 容量的一部分，所以这两种方案适用于大、中容量的风力发电系统，其他方案适用 于小容量的风力发电系统。 交流励磁双馈发电机系统和无刷双馈发电机系统可在亚同步和超同步状态 下运行，因而具有更宽的风速运行范围。 浙旺火学埘士学位论文 无刷双馈电机省去了滑环和电刷，结构简单，坚固可靠。在转于转速变化的 条件下，通过控制励磁绕组的励磁电流频率来确保发电机输出电流的频率保持在 5 0 h z 不变，非常适用于风力发电系统是当今世界风力发电的趋势。 1 2 3 风力发电技术的当前形势和新的发展趋势 基于变速运行、变距调节的直驱同步发电机或双馈异步发电机己成为现在大多 数风机制造商开发研究的新技术。取消增速机构，采用风力机对发电机的直接驱动 方式和发电机的无刷化是两个值得注意的发展趋势。 直接驱动是通过增加发电机的制造成本获取系统效率和运行可靠性的提高，从 风电系统总体效益上考虑是可取的。齿轮传动不仅降低了风电转换效率和产生噪声， 是造成系统机械故障的主要原因，而且为减少机械磨损还需要润滑清洗等定期维护。 e n e r c o n ，l a g e w e y ，j e t t m o n t ，m t o o r e s 公司都在发展这门技术。发电机的无刷化可 提高系统的运行可靠性和实现免维护，因此一直是电机的发展趋势。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。综合无刷化和直接 驱动这两方面的要求，在变速恒