双馈异步和永磁同步风力发电机特性分析

1、专题高效与节能专家分析双馈异步和永磁同步风力2010年09月刊-#AUTOMATION PANORAMA2010年09月刊-#AUTOMATION PANORAMA发电机特性分析北车风电有限公司王建维2010年09月刊-#AUTOMATION PANORAMA2010年09月刊-#AUTOMATION PANORAMA王建维女，硕士，毕业于西南交通大学牵引动力国 家重点实验室，毕业后在中国北车集团济南 轨道交通装备有限公司从事货车转向架设计 工作，2008年7月转入北车风电有限公司从 事风力发电机组设计，主要从事风力发电机 组控制系统和在线状态监测系统方面的研 究。摘要：本文分析了双馈异步和永

2、磁同步风力发电机的工作原理，详细比 较了两种发电机的优缺点，最后得出结论：短期内，DFIG仍将是主流机型，但随着国家对风机并网的要求越来越高，具有低电压穿越能力的永磁 同步发电机将是未来风机发展的趋势。关键词：双馈异步发电机；永磁同步发电机；变速恒频；低电压穿越1 概述在过去的20多年里，风力发电机组的单机容量不断扩大， 特别是最近几年，大型机组得到迅速推广应用。技术的不断进步 是机组单机容量得以不断扩大的基础。早期的风力发电机组全部 是定桨距失速型风机。由于定桨距机组叶片的角度不能在风速变 化时进行相应地调节，因此无法在低风速时获取最大的风能；在 风速为额定风速时功率最大，当风速超过额定值后

3、，发电功率又 明显下降，故定桨距失速型风机的经济效益不甚理想，因此这种 型的机组很难向大型化方向发展。目前该类型的产品均为小型机 组，兆瓦级机组均不采用此类型的结构。随着技术的发展，风电机组发展到了变桨距系统。变桨距风 力发电机组的叶片角度可以进行调节，在不同的风速情况下，通 过调节叶片的角度使攻角保持最佳状态，从而获得较大的转换效 率。变桨距机组的额定风速较低，启动性能较好，而且在风速超 过额定值时通过变桨系统可以有效地控制叶片的迎风角度，使得 发电机有着较为平滑的功率曲线，大大提高了发电效率和发电质 量。通过技术的不断提高和新材料的不断应用，叶片结构变得越 来越简单、重量也越来越轻，易于机

4、组的大型化，因此大型风电 机组多采用变桨距技术。目前，风电技术已发展到了更先进的变速变桨距机型。变 速变桨距风力发电机组同时应用了变桨技术和变速恒频技术，风 轮转速可根据风速的变化进行调节，以便最大限度地吸收风的能 量，提高转换效率。由于在发电机中采用了变速恒频技术，使发 电机组在低风速情况下的出力水平大幅度提高，总体发电效率得 到进一步提高。兆瓦级以上的机组大都是变速变桨距机型。发电机及其控制系统承担了将机械能转化为电能的任务，直 接影响到转换过程的效能、效率和供电质量。而目前风力发电机 主要采用两种类型：双馈异步发电机和永磁同步发电机。2 双馈异步发电机 （DFI G）和永磁同步发电机 （

5、PMSG）结构分析2.1 DFIG工作原理双馈异步发电机在结构上与绕线式异步电动机类似，定转子 三相对称，转子电流由滑环接入。风速的变化通过增速齿轮箱传 递到发电机，为了保持定子电流频率的恒定，可以控制转子电流 的频率，使得发电机的转子转速发生变化，这些工作可以由变频 器来完成。当发电机转子高（低）于同步速时，应控制变频器能 量流入（出）电网，这样就控制了电机定子向电网供应电能频率 的稳定。其原理框图如图 1所示。图1双馈发电机原理图当风速变化引起发电机转速n变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定，即应满足：。式中：为定子电流频率，由于定子与电网相连，所以与电网频率相同；为转子机械频率，

6、/ _.：，p为电机的极对数； 为转子电流频率。? n<ni （ n1是定子旋转磁场的同步转速）时，处于亚同步 运行状态，此时变流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；? n>ni时，处于超同步运行状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变流器的能量流向逆向；? n=n1时，处于同步状态，此时发电机作为同步电机运行，=0，励磁变流器向转子提供直流励磁。而n=pn m，当n发生变化时，即p发生变化，若控制转子供 电频率 做相应变化，可使保持恒定不变，与电网频率保持一致，实现变速恒频控制。2.2 PMSG工作原理永磁发电机系统是以永磁发电机和全功率变流器为核

7、心的风力发电系统，风电机组通过全功率变频器和变压器与高压电网相 联，变频器将风电机组输出的不停变化交流电压，首先变换成直 流，再逆变成电压频率和幅值及相位与电网一致的交流电源电压。该系统如图2所示，与笼型异步发电机变速恒频风力发电系 统类似，只是所采用的发电机为永磁同步发电机。式中， 电网频率（Hz）； 发电机定子输出频率 （Hz）； K 功率变换器频率变比。当转速变化时，发电机定子输出频率也跟随变化，通过功率 变换器将定子发出的变频变压的电能转换为与电网频率幅值一致 的稳定电能。3 DFIG和PMSG结构性能比较 （如表1所示）4 DFIG和PMSG发电量比较按照现行变桨距风力发电机的最大功

8、率捕获原理，风力发电机从切入风速（ Cut-in wind speed）到额定风速（Rated windspeed ）这一过程中，通过变桨技术可以实现风力发电机工况下 的最优化，从实际风速分布统计情况来看，风力发电机运行最多 的时段也基本上是集中在这一工况下，且这一工况下的出力为最 多。从图3中可以看出，在额定风速以下时，永磁发电机比双馈 异步发电机风能利用率明显高，根据芬兰公司The switch的计算，相同功率等级的风机采用永磁发电机比双馈异步发电机的年输出 电能最高可以高出 20%，从20年的风机使用寿命来看，这产生的 经济效果是非常客观的（粗略统计20年多发的电产生经济效益在1000万

9、人民币左右）。Parma Magnat G0n>arjtor20i40so阳100Shift power %图3 DFIG和PMSG发电量比较5 结论（1）从结构分析来看，DFIG和PMSG在技术参数上各有优缺 点，DFIG相比PMSG变流器容量小，易于安装和维护，成本低，发 电机结构简单，重量和体积比同步发电机大大减小。但低电压穿越功能不强，需要在变流器中额外增加模块，现在DFIG的市场认可度较高，但由于其低电压穿越能力不好，所以，如果国家以后出台 并网要求相关规定后，市场将倾向于同步风力发电机组。（2） 就技术成熟度来讲，目前国内外 DFIG技术成熟，国内 大多数兆瓦级风机均采用该机

10、型，而 PMSG国内该方面的技术尚 处于研发阶段，产业链不完善，基本要依赖进口。（3）就成本来讲，双馈式风力发电机组比同步风力发电机 组要低一些，双馈式风机变流器（风机容量相同）比全功率变流 器的成本价格低30%左右。（4）从发电质量和发电量来看，双馈式异步发电机发出的 电能都是经变压器升压后直接与电网并联，加之在转速控制系统 中采用了电力电子装置，会产生电力谐波，发电机在向电网输出2010年09月刊-30AUTOMATION PANORAMA专题一一高效与节能专家分析表1 DFIG和PMSG结构性能比较DFIGPMSG名称解释定i子功率和转差功率可以分别向定子和转子馈人，也可从定转子上:和转

11、子输出，故称为双馈为永磁装有永磁体，定子电流频率与转速有严格的数学关系，故称同步发电机结结构定转变亍构上与普通绕线式异步电机相似。定子匚子：三相对称交流绕组，通过变压器直接接入电网转子：2子：通过滑环、电刷接至频率、幅值、相位均可调的三相 效率高 频器进行交流励磁效率高与DFIG无本质区别，亦为三相对称交流绕组无励磁绕组，在转子铁芯表面装有永磁体，无需励磁电源， j，寿命长励磁由1电网通过双向变流器进行励磁，励磁可调永磁体:励磁，励磁不可调尺寸重量尺造高速F1寸和重量为中等水平电机设价低同等功成本相MSG由于没有励磁电源，采用高性能的永磁材料，通过合理 t计可以优化电机磁路，提高功率密度，所以

12、其尺寸和重量与 j率等级的发电机相比较小（参考值大约为20 %35 %）,但扌应较高（主要是高性能永磁体造价很高）变变流器频量流器位于转子侧以控制转差频率f2，实现变速情况下f1恒 定子输1。而转子侧电功率只有sP1 （s为转差率），所以变流器容 定子输 :小、成本低现恒频出频率无法通过励磁调节，且随转速实时变化，所以为了实1输出需要采用全功率变流器，容量大、成本高D无功调节励量FIG励磁可调量有3个：勺磁电流的频率：保证变速时定子电流恒频PMSG（值、相位：调节DFIG的有功功率和无功功率，改善电网质 能通过 L励磁不可调，决定了发电机输出端的功率因数无法控制，只变流器控制输出到电网端的电能

13、由无并网特点发变发1变流器控制电压匹配、同步和相位控制，并网迅速，基本电流冲击； 采用全 亍电机转速可随时根据风速进行调整，是机组运行于最佳叶采用A ?速比； 步电机 了流器位于转子励磁回路中，容量小、成本低，可灵活调节 频率变 亍电机的有功功率和无功功率:功率变流装置，基本无电流冲击；C-DC-AC方式，发电机频率与电网频率彼此独立，避免了同的勺失步问题；换装置虽可以调节功率因数，但会有高频电流流入电网D有节当氐电压穿越变 的分析化组出重于FIG定子侧与电网通过变压器直接相连，转子侧与电网间双向变流器进行励磁调节，故只能对发电机组实施部分调Jo电网电压突然跌落瞬间，定子磁链不能跟随定子端电压

14、突由于采从而产生直流分量，由于积分量减小，定子磁链不发生变 压的跌 :,而转子继续旋转，会产生较大的滑差，从而引起转子绕 运行。 的过压、过流。如果电网为不对称故障的话，因为定子中 故PM 现负序分量导致更大的滑差，会使转子过压过流现象更严 fo过流会损坏变流器，过压会使绕组绝缘被击穿，所以对:DFIG必须采用LVRT技术用了全功率变流器，发电机与电网之间是隔离的，故电网电 落不会直接作用在发电机的定子上，不会直接影响发电机的SG不需要LVRT技术D年维护年电FIG转子侧有电刷、滑环，以对励磁电流进行调节，一般半 mg, 匚需要更换电刷，2年更换滑环。但MS于厅绕组也使得DFIG的可靠性比PM

15、SG低。不可于I机维护成本高，频度高不；转子上无绕组、电刷、滑环，因此其维护性强于DFIG o 永磁体在咼温、振动等环境下存在失磁，在过流冲击下存在 1退磁等缺点会使得电机报废，这是其最主要的缺陷。D效率变平FIG存在定子铁耗、铜耗及转子铁耗、铜耗PMSG漩器容量小，损耗小对较高匚均效率较高（参考值75%）平均效;无励磁损耗，只有定子铁耗和铜耗，变流器容量大，损耗相率高（参考值90%）皆波断FIG定子侧与电网通过变压器直接连接，且转子电流处于不全功率 f变化之中，故DFIG定子输出电流谐波较大且难以控制的正弦变流器采用SPWM （正弦波脉宽调制）技术可获得近似标准 （波电压电流波形，谐波性能有

16、很大改善（6）.询比頂龙，2010年09月刊31AUTOMATION PANORAMA（6）.询比頂龙，2010年09月刊#AUTOMATION PANORAMA有功功率的同时，还必须从电网吸收滞后的无功功率，使功率因 数恶化，加重了电网的负担；而 PMSG具备最大风能跟踪、定子 侧功率因数和网侧功率因数调节功能以及有功、无功的解耦控制 功能，由于并网电路将 PMSG与电网分开，因此该电路具有隔离 故障的能力，不会因电网故障损害PMSG，也不会因PMSG故障对电网产生负面影响。该电路还具备有功无功的存储能力，以保证 在无风或少风情况下对电网起到稳定支撑作用。同时在同一工况 条件下PMSG比DFIG发电量要高出很多。综上，双馈异步机型成本较低，在短期内它将是主流机型， 具有很强的市场竞争力。但随着国