1、 晋升中级职称论文 永磁同步机变速恒频发电系统研究 单位： 哈飞工业 下属单位： 风电公司 姓名： 林志强 2011年 8 月 17日 I 目录 第一章 绪论 . - 1 - 1.1 风力机对发电机及发电系统的一般要求 . - 1 - 1.1.1 恒速恒频发电机系统 . - 1 - 1.1.2 变速恒频发电机系统 . - 2 - 1.2 风力发电机组技术的发展 . - 4 - 第二章 变速恒频发电机系统控制技术 . - 6 - 2.1 风力发电机控制系统组成 . - 6 - 2.2 叶尖速比理论 . - 6 - 2.3 变速恒频风力发电机运行状态 . - 7 - 2.3.1 起动状态 . -
2、8 - 2.3.2 欠功率状态 . - 8 - 2.3.3 额定功率状态 . - 8 - 第三章 永磁同步机变速恒频发电系统 . - 10 - 3.1 永磁同步机变速恒频发电系统构成 . - 10 - 3.2 永磁同步发电机运行特性 . - 10 - 3.3 全功率变频器 . - 11 - 3.4.1 全功率变频器整流电路 . - 12 - 3.4.2 全功率变频器逆变电路 . - 13 - 第四章 永磁同步机变速恒频发电机系的转速控制 . - 14 - 4.1 风力发电机转速控制 . - 14 - II 4.2 最大功率点跟踪控制方案 . - 14 - 第五章 风力发电技术未来展望 . -
3、17 - 5.1 风场的选址 . - 17 - 5.2 风电机组技术 . - 17 - 5.3 风电机组的并网 . - 17 - 参考文献 . - 19 - - 1 - 第一章 绪论 随着全球常规能源的逐步衰竭，节能和可再生能源的利用成为了热门课题。风能作为一种洁净的可再生能源受到了人们的青睐。然而传统的风力发电（是风能的主要利用形式）系统对风能的利用并不充分，造成了一定风能资源的浪费。针对过去恒速恒频发电方式的不足，各国学者开始研究各种变速恒频的发电策略。变速恒频发电方式的主要优点是能根据不同的风速调整发电机的转速使风力机能捕捉到最大的风能。 1.1 风力 机对发电机及发电系统的一般要求 风
4、力发电包括了由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程，发电机及其控制系 统承担了后一种能量转换任务，它不仅直接影响这个转换过程的性能、效率和供电质量，而且也影响到前一个转换过程的运行方式、效率和装置结构。因此，研制和选用适合于风能转换用的、运行可靠、效率高、控制及供电性能良好的发电机系统是风力发电技术的一个重要部分。 风速和风向是随机变化的，为了高效转化风能，要求叶轮转速随风速相应变化，保持最佳的叶尖速比。恒速恒频发电机系统是较简单的一种，一般都采用普通异步发电机作为主要发电单元。另一种是变速横频发电机系统，这是 20 世纪 70 年代中期以偶逐渐发展起来的一种新型风力发电系统。叶轮可
5、以变转速运行，可以在很宽的风速范围内保持近几乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力机的运行效率，从风中获取的能量可以比横转速风力机高得多。 1.1.1 恒速恒频发电机系统 恒速恒频 发电机 系统一般来说比较简单 ， 发电机 一般 采用普通工业异步电机， 如图 1.1 所示： - 2 - 图 1.1 恒速恒频发电机 系统 1.1.2 变速 恒频 发电机系统 变速恒频发电机系统主要优点在于叶轮以变转速运行，可以在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力机的运行效率，此外，这种风力机在结构上 和使用中还有很多的优越性，利用电力电子装置是实现变转速运行最佳化的最好方法之一。 变速恒频发
6、电机系统的转速控制通常是靠变频器来实现的，根据发电机形式的不同，其并网方式也有所不同。因此，变速恒频发电机系统按照发电机的种类不同也可以把变速恒频发电机系统分为 双馈 式 、直驱 式 、半直驱 式 三种。 1.1.2.1双馈式 变速恒频发电机系统 双馈式 发电机系统 一般都采用双馈异步发电机， 传动系统结构如图 1.2所示 。 发电机定子与电网相连， 变频器与发电机转子和电网相连。当发电机转速低于额定转速时，发电机通过变频器从电网吸收功率，当发 电机高于额定转速时，发电机通过变频器向电网输送功率。所以变频器功率仅为发电机功率的 1/3。 - 3 - 图 1.2 双馈 式变速恒频发电机系统 1.
7、1.2.2 直驱式风力发电机 直驱式风机一般都采用永磁同步发电机，传动系统结构如图 1.3 所示 。 直驱式风机无齿轮箱所以它具有传动效率高 ， 发电机输出功率全部经过变频器后并入电网，发电机输出不稳定频率的电能经过变频器后转化为稳定频率的电能，变频器功率等同于发电机功率。 图 1. 3 直驱 式 变速恒频发电机系统 1.1.2.3 半直驱式风机 - 4 - 基于双馈式风机和直驱风机各自优缺点考虑，人们研发一种新型的风机，它采用了相对可靠的一级行星齿轮和适当的增速比，这一级行星齿轮与发电机集成在一起，构成了发电机单元。风机的叶轮和发电机单元直接相连接，使风机所用的部件减少，这样就兼有前面所提到
8、的两种风机的优点：体积小，重量轻，效率高，同时可靠性高，可维护性好。这种新的风机技术称为 MULTIBRID 技术，即半直驱风机。 MULTIBRID 技术的核心是采用一个一级行星增速器与一个永磁同步低速发电机相集成，构成一个发电 单元，一级行星齿轮的增速比为 5-10,降低了发电机的输出扭矩 。传动系统结构如图 1.4 所示。 图 1.4 半直驱 变速恒频发电机系统 1.2 风力发电机组 技术的发展 随着风电技术的不断发展和创新，风机正向着大容量、优良的发电质量、提高材料利用率、减少噪音、降低成本、提高效率发展。 20世纪 80年代初，商品化的风电机组的单机容量以 55kW的小型风力机组为主
9、； 20世纪80年代中期 -90年代初期，发展到以 100kW-450kW为主，到 20世纪 90年代中后期，则发展到以 500kW-1MW级的大型风力机组为主。目前，大型风力机组并网发电已成为风能利用的主要形式。 - 5 - 在各类研究中，永磁同步机变速恒频发电系统作为一种极具优势的方案受到了越来越多的重视。这是因为： 1) 永磁同步发电机性能好，效率高，无需励磁，与其他类型电机相比较尺寸小，重量轻； 2) 永磁同步发电机的额定转速可以做到很低，这样便可与风力机直接耦合，省去了噪声大、维护不方便且昂贵的齿轮箱； 3) 拓扑结构可以比较简单，控制方法相对容易掌握。 本文重点以永磁同步机变速恒频
10、发电机系统 为例，介绍变速恒频发电机系统的控制方法。 - 6 - 第二章 变速 恒频发电机系统 控制技术 2.1 风力发电机控制 系统组成 风力发电机 控制系统主要控制 风机运行的各个阶段的转换策略， 例如静止到空转、空转到正常风速下的功率输出、正常风速到飓风状态的风速停机等。 如图 2.1 所示 为风机控制系统组成。 图 2.1 风机控制系统组成 2.2 叶尖速比 理论 风机叶片吸收风能在理论上有个最大值 Cp=0.593，实际运行时不会超过这个值。从而引入叶尖速比概念：叶尖速比 vR ； 为叶轮转速；v 风速。通过风洞试 验得到结论如图 2.2 所示： - 7 - 图 2.2 叶尖速比与功率系数关系曲线 从图中我们可以看出 叶尖速比在 6 8之间风机功率系数 Cp值最大。 所以风力发电机运行在叶尖速比为 6-8之间时叶轮吸收的风能最大。 2.3 变速恒频风力发电机 运行状态 变速恒频风力发电机组根据变桨系统所起到的作用可分为三种运行状态，即风力发电机组起动状态、欠功率状态和额定功率状态。 如图 2.2 所示： 图 2.2 风机功率与叶片桨角对应关系 00.10.20.30.40.50.60 2 4 6 8 10 12 14功率系数cP
