永磁同步风力发电机设计华中科技大学新型电机大作业

1、永磁同步风力发电机的设计华中科技大学电气与电子工程学院 电气学院新型电机大作业一、 引言风电行业现状概要风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，随着全球化石能源的枯竭和供应紧张以及气候变化形势的日益严峻，世界各国都认识到了发展可再生能源的重要性，风能作为清洁可再生能源之一，受到了各国的高度重视，世界风电产业也因此得到了迅速发展。中国风能资源十分丰富：陆上和近海可供开发和利用的风能储量分别为2.53亿千瓦和7.5亿千瓦,具有发展风能的潜力和得天优厚的优势。在未来的能源市场上，充分开发和挖掘这一潜力和优势，将有助于持续保持本国的能源活力和维持经济的可持续发展。在开发利用风能的过程中

2、，风电场的建设是其必须的环节，而风电机组的应用又是建设风电场的重中之重。中国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。属于风能资源较丰富的国家。“十一五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。  从自然环境来看，我国居于非常有利的优势地位。我国地域广阔，海岸线长、风力资源十分丰富。据统计，全国平均风能密度大约为100 W/m2，风能总量为3226 GW，其中可供开发利用的陆上风能总量大约为253 GW。在我国东南沿海及附近岛屿、内蒙和河西走廊，以及我国东北、西北、华北、海南及西青藏高原等部分地区，每年的年平均风速在3 m/s以上时间近40

3、00 h，一些地区的年平均风速在67 m/s以上，对于风力发电来说，具有很大的开发价值和广阔的利用空间。按“十一五”发展规划，至2010年我国风电装机总量将突破10 GW。  风力发电问题近年来已成为电力行业研究的热点。在风电发展的过程中，直驱永磁同步电机得到了越来越广泛的应用。二、 风电机组的特性原理2.1常用风电机组类型风力发电技术从风机组的定桨距恒速运行发展到基于变桨距技术的变速运行，已经基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想地向电网提供电力的最终目标。以下给出了当今几种并网型风力发电系统结构图，并概述了它们的优缺点。A 普通三

4、相同步发电系统早期的恒速恒频风力发电系统中是采用普通三相同步发电机，风力机与发电机之间通过齿轮箱连接，风力机采用定桨距控制技术，发电机通过断路器直接与电网连接，这就是所谓的刚性连接。同步发电机在运行中，由于它既能输出有功功率，又能提供无功功率，频率稳定，电能质量高，己被电力系统广泛采用。然而，由于风速时大时小，随机变化，作用在转子上的转矩极不稳定，并网时其调速性能很难达到同步发电机所要求的精度，因此把它用于到风力发电机组上使用效果并不太理想。该系统需要调速机构和励磁机构对同步发电机的频率、电压和功率进行有效的控制，否则可能会造成无功振荡与失步，重载下尤为严重。普通三相同步发电机型风力发电系统结

5、构示意图如图2-1所示: 图2-1 三相同步发电机系统结构图B 双馈风力发电系统双馈式风力发电系统是变速运行风电系统的一种，由风力机、齿轮箱、感应发电机、PWM变频器和直流侧电容器等构成。双馈电机的定子与电网直接连接，转子通过两个变频器连接到电网，使得机组可在较大速度范围内运行，并与电网之间实现能量双向传输。当发电机运行在超同步速度时，发电机定子和转子同时向电网输送能量;而当运行在亚同步速度时，电网通过变频器向转子输送功率。直流侧电容器的作用是维持直流母线电压恒定。与恒速风力机不同，其功率控制方式为变桨距控制，即桨叶节距角随着风速的改变而改变，从而使风力机在较大范围内按最佳参数运行，以提高风能

6、利用率。相比于传统的恒速发电系统，双馈电机的优势在于:降低输出功率的波动和机组的机械应力;不需要无功补偿装置;可以追踪最大风能，提高风能利用率;控制转子电流;就可以在大范围内控制电机转差率、有功功率和无功功率，提高系统的稳定性;在转子侧控制功率因数，可提高电能质量;变频器容量仅占发电机额定容量的25%左右，与其它全功率变频器相比大大降低变频器的损耗及投资。而其缺点在于控制方式相对复杂，并且价格较昂贵，其结构图如图2-2： 图2-2 双馈风力发电系统结构图C 直驱式风力发电系统：在直驱式风力发电系统中，风力机与发电机转子直接耦合，所以发电机的输出端电压、频率随风速的变化而变化。要实现风力机组并网

7、，需要保证机组电压的值、频率、相位、相序与电网保持一致。直驱式永磁同步风力发电系统采用风力机直接驱动低速永磁同步交流电机产生电能。使用直接驱动技术，在风力机与交流发电机之间不需要安装升速齿轮箱，因而减少了维修周期，降低由于齿轮箱造成的噪声污染，在低风速时具有更高的效率。该系统中的低速交流发电机的转子极数远多于普通交流同步发电机的极数，因此这种电机的转子外圆及定子内径尺寸大大增加，而其轴向长度则相对很短，呈圆盘形状，为了简化系统的控制结构，减小发电机的体积和质量，采用永磁电机是具有较大的优势仁。风电系统将发电机发出的全部交流电经整流逆变装置转换后并入电网，因此需要采用大功率的电力电子器件。工GB

8、T(绝缘栅极双极型晶体管)是一种结合大功率晶体管及功率场效应晶体管两者特点的复合型电力电子器件，既具有工作速度快，驱动功率小的优点，又兼有大功率晶体管的电流能力大，导通压降低的优点。直流环节并有一大电容，可维持母线电压恒定。系统结构如图2-3：图2-3 直驱式风力发电系统结构图2.2风机特性研究风力机的种类很多，目前大型并网风力发电机组中采用的风力机绝大多数都是水平轴、下风向式、三叶片。风电机组的发电过程是将风能转换为机械能，再由机械能转换为电能的过程。在这个过程中，风力机捕获风能的过程起了相当重要的作用，它直接决定了最终风电机组的转换效率。但不管采用什么形式的风力机，都不可能将风能全部转化为

9、机械能。德国科学家贝茨（Betz）于1926年建立了著名的风能转化理论，即贝茨理论。贝茨假设风轮是理想的，既没有轮毂，且有无限多叶片组成，气流通过风轮时也没有阻力；此外假定气流经过整个扫风面是均匀的，气流流过风轮的速度方向为轴向。理想风轮的气流模型如图2-4所示。 图2-4理想风轮的气流模型其中，v是风轮上游的风速，是通过风轮的风速，是风轮下游的风速。通过风轮的气流上游截面积为，下游截面积为。根据理论和能量的转化，一定有，根据贝茨理论，则有设S为风轮平面面积，为空气密度，则风能作用于桨叶上的力为 （2.1）由此计算桨叶接收的功率为： (2.2)由上游至下游的动能变化： （2.3）因能量守恒，则

10、 （2.4）可以求得： （2.5） （2.6）由于桨叶前风速是认为给定的，故对P微分求其最大值，P是的函数，则有 若令其为0，解得 代入P的表达式，可求出P的最大值： （2.7）由此，除以气流通过扫风面S所具有的动能，得到风轮的理论最大效率： （2.8）这就是著名的贝茨定理，它说明理想的最佳条件下，对风能的利用率也不到60%，有很大一部分能量化为了旋转动能而损耗在桨叶背面也就是说，实际风力机的效率必定小于0.59，所以在实际的风力机运行中，就是要最大限度地接近该风能的最大利用数值。风力机的机械转矩T与风速v的关系可以表示为: （2.9）其中是反应转矩大小的系数。转化机械功率为： (2.10)风

11、力机实际得到的有用功率为： （2.11）其中R为风轮半径，为风力机运行机械角速度，为风能机械转化效率，且叶尖速比（表示风轮运行速度快慢）为 要使得系统获得最佳的功率输出系数，即得到最大,根据不同的（叶片回转平面与桨叶界面弦长之间的夹角）和值可得出功率系数近似特性曲线（关系见图2.3），求得，所以的取值是实现最大风能追踪控制的关键。 图2-5 与叶尖速比以及桨距角的关系2.3最大风能追踪根据贝兹(Betz)定理，风力机获得的机械功为: （2.11）其中，为风能利用系数，为空气密度，S为风力机扫风面积，V为上游风速叶尖速比可以用下式表示： （2.12）其中，为风轮的角速度，为电网频率，为风轮半径。

12、对某一确定的风力机，当和V一定时，风力机所获得的机械功率仅与风能利用系数有关，是桨距角和叶尖速比的函数，即，某一风速下，当桨距角一定时，则仅由叶尖速比决定。在某一风速下，总会有一个最佳叶尖速比，对应了最大风能利用系数，因此，只要控制保持最佳叶尖速比，就能获得最大风能。由式（2.11）和（2.12）可得风力机最大输出功率和风轮转速之间的关系如下： （2.13） 图2-6桨距角下风能利用系数曲线 图2-7系数曲线 图2-8风力机输出功率特性曲线如图2-8所示，是一组在不同风速下风力机的输出功率特性，最佳功率曲线是各风速下最大输出功率点的连线。从中可以看出在同一个风速下，不同转速会使风力机输出不同的

13、功率，要想追踪最佳功率曲线，保持最佳叶尖比，即最大限度地获得风能，就必须在风速变化时及时调节风轮机的转速，在直驱同步风力发电系统中，即调节发电机的转速，从而改变风力机转速，这是最大风能捕获的主要思想。应用以上思想，在直驱永磁同步风力发电机组中，在最大功率输出方式下。当风力大于风力机启动的最低风力后，风力机在运行状态，此时风力机为优化桨距角定浆距运行，由变频器控制系统来控制系统输出，调节风力机转速，获得相应的，实现最佳功率曲线的追踪和最大风能的捕获。当风速进一步增大，超过额定转速后，变频器控制通过转矩调节转速基本失效，系统变桨距装置开始动作，调节风轮受力，减少风轮机械能的获取，保护风力机和发电机

14、组，避免因超速和超功率运行引起的事故。此时风力机工作在额定功率输出模式，输出稳定。通过以上的分析，就可以实现最大风能的追踪和最大功率的输出控制，获得较为平稳的能量，保证了公用直流母线的能量平稳获取和后续逆变并网电能质量。三、直驱永磁同步风力发电机的优点国内外风力发电机主要包括永磁直驱风机和双馈风机两种。两者的最大区别在于不同的传动、发电结构。以下通过分析风机的主要结构特性来比较两者的优劣势：性能永磁直驱式与双馈式风机比较分析电网兼容性永磁风机更强具有优越的低电压穿越能力，可在电网干扰期间内保持接入电网，对电网冲击小。可靠性永磁风机更可靠直驱永磁风机省去了齿轮箱及其部件，简化了传动结构，提高了机

15、组的可靠性。防护等级永磁风机更高机舱、发电机、轮毂采用内正压技术，可有效防止潮湿、盐雾、沙尘的进入，防护等级高。发电效率永磁风机更高采用叶轮直接驱动发电机发电，无需电励磁，减少了电能损耗；同时，没有齿轮箱等中间部件，传动链短，减少了传动损耗，提高了发电效率。维护成本永磁风机较低采用无齿轮直驱技术，减少了风力发电机组零部件数量，避免了齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护的成本。表3-1 直驱永磁发电机与双馈异步发电机比较表从表3-1可以看出，直驱永磁发电机主要有低电压穿越能力强，发电效率高，维护成本低等优点，可以预见的将来，直驱永磁发电机将会在风电系统中得到越来越广泛的应用。 4、 永磁同步风力发

16、电系统的基本组成、工作原理、控制4.1基本组成与工作原理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。直驱永磁同步风力发电系统主要包括桨距控制式风力机、永磁同步发电机、背靠背全功率变频器以及控制系统等四大部分，其基本结构如图1 所示。其中背靠背全功率变频器系统又可以分为：发电机侧变频器（generator-side converter ）、直流环节（DC-link）

17、和电网侧变频器（grid-side converter）。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。图4-1 直驱永磁发电机组结构图4.2永磁同步电机的控制目前，在永磁交流伺服系统中，零d轴电流矢量控制技术是最主要的控制方式。零d轴电流矢量控制采用转子磁场定向，其实现的前提是必须已经准确地检测出转子磁极空间位置d轴，采用PWM技术，通过对逆变器功率开关管的导通和关断的控制，使定子合成电流位于q轴上，此时定子电流d轴分量为零，而永磁同步电机的电磁转矩与转矩电流成正比，即正比于定子电流幅值，因此，我们只需要控制定子电流

18、大小，就可以达到控制永磁同步电动机的输出电磁转矩的目的。机侧变流器控制策略采用转子磁场定向的方法:两相静止坐标系中的轴与定子a相绕组的法线方向对齐;同步旋转坐标系中d轴与转子磁链方向对齐，则空载电势E与q轴对齐。和dq坐标系下永磁同步电机相量图如图4-2所示，其中转子位置角 图4-2 两相静止坐标系和两相旋转坐标系下永磁同步发电机向量图 由此可以得到永磁同步电机在心坐标系下的电压方程和转矩方程分别如(4.1)，(4.2)所示 （4.1） （4.2）其中，为电机端电压轴分量，为定子电流轴分量，为转子电角速度，为定子电感轴分量，为电磁转矩，p为电子极对数。同时可得同步旋转坐标系下dq轴等效电路图：

19、 永磁同步电机的控制策略原理，主要分为两类:矢量控制和直接转矩控制，前者是基于转子磁场定向的，而后者是基于定子磁场定向的，由于两种控制策略的控制目标不同，所以在实现方法上也各不相同。以下围绕永磁同步电机的矢量控制中的零d轴电流控制方法展开讨论。同时，机侧变流器的控制策略与风力发电机组的运行方式有着密切的关系。在最大功率运行力一式下，为了追踪最大功率，实现最大风能捕捉，控制上一般采用转矩闭环结构;而在额定功率输出运行方式下，电机要维持额定功率不变，就是要维持额定转速不变，因此此时控制上常采用双闭环结构，转速环作为外环，转矩环作为内环，转矩指令由转速环的输出来给定。零d轴电流矢量控制的目的就是将d

20、轴电流控制为零。将代入式(4.2)，则永磁同步发电机的电磁转矩方程为: （4.3）由上式可看出，电磁转矩仅与q轴电流成线性关系，所以我们只要控制了q轴电流，使q轴电流跟随指令（d轴电流始终跟随指令），就可以控制电磁转矩，从而使发电机的转速跟随最优转速，当电磁转矩指令已知时，电机dq轴电流指令如下： （4.4） 由式（4.2）可得出永磁同步电机稳态控制方程如下： （4.5） 再加入电压前馈，最终可得控制方程如下： （4.6）其中，为电流调节器的比例和积分系数。由上式得出以下永磁同步电机控制框图：由此可得d轴电流矢量控制结构框图如图4-3所示：图4-4 机侧变流器控制策略框图 控制系统设计采用双闭

21、环控制方式，外环为速度环，内环为电流环，其中外环的速度参考值由最大风能追踪算法得出，速度参考值与实际电机转速相比较，得到差额e作为PI调节器的输入，PI调节器的输出作为电流内环有功电流参考值。在电流内环的控制中，首先检测发电机转子位置角度，用霍尔传感器采样发电机输出三相电流，再将采上来的三相电流经过clark和park变换转换到dq旋转轴系下的直流分量,它们与指令值的差作为电流内环PI调节器的输入，通过PI调节器跟踪给定值，PI调节器的输出与发电机端电压的dq旋转轴系下的分量叠加，产生的调制电压逆park变换，得到电压矢量。最后能过SVPWM方法产生PWM波控制变流器各功率管的导通和关断。其中

22、，检测发电机转子位置角度，对进行求导即可得到发电机的转速。由此可见，通过上述的零d轴电流矢量控制，就可以灵活的独立控制发电机输出电流的有功和无功分量，实现无静差控制。五、永磁同步风力发电实例1.65 MW直驱永磁同步风力发电机主要参数及结构特点 发电机主要参数  额定功率        1650 kW 额定电压        690 V 额定电流 

23、  1534 A 额定功率因数    0.9 相  数          3 额定频率        40 Hz 极  数          32 额定转速&#

24、160;       150 r/min 转速范围        0180 r/min 冷却方法        空水冷却 绝缘等级        180(H)  防护等级    &

25、#160;   IP54 中心高          1350 mm 工作制          S1 效  率          97 % 发电机总重量 18 t六、总结随

26、着能源危机的不断加深，能源解决问题变得越来越紧迫，风力发电作为新能源中发展最早，技术最全面的技术受到了人们广泛的重视，所以风能技术的研究也越来越多。作为风力发电技术中的一种，永磁直驱型风电系统具有广阔的应用前景，是未来风电技术发展的一个重要的方向。通过新型电机这门课程的学习，我知道了在传统电机之外还有其他的应用非常广泛的微特电机，在现代社会这个需求日益多元化的时代，微特电机在各个领域大显身手，已经融入到我们的日常生活之中。此次我论文的主题是直驱永磁电机在风电系统中的应用，主要是由于在大三暑假的实习中参观了很多永磁电机制造企业，很多是我们学校的校友创办的，在此过程中对永磁电机产生了较大的兴趣，加

27、之现在化石能源的日益匮乏，风电越来越得到重视，永磁电机在风电系统中应用的较为成功，所以才有了以直驱永磁电机在风电系统中的应用为主题的想法。由于自己的理论学的不是太深入，好多方面自己搞的也不是太清楚，在此恳请老师批评指正，通过新型电机课程的学习，让我对我国的电机事业有了更为充分的了解，收获很大。7、 参 考 文 献1 王承煦，张源主.风力发电.机械工业出版社. 2003,03月（第一版）2 金万兵.混合励磁永磁发电机及其控制系统的设计研究硕士学位论文. 辽宁：沈阳工业大学,20033 张宏杰.混合励磁永磁同步发电机设计与研究硕士学位论文.辽宁：沈阳 工业大学,20004 徐甫荣. 大型风电场及风电机组的控制系统, 风力发电 ,2002,18（2）3038.5 张扬,李强,张晓东.风力发电机组控制技术综述.水利电机械. 29(7). 6 李宁,陈桂.运动控制系统.高等教育出版社,2006.7 屈莉莉，秦亿，杨兆华.PWM高级整流技术J，佛山科学技术学 院学报（自然科学版），2001，19（2）：22-26.8 郑存家