永磁同步機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)研究中級職稱

1、晉升中級職稱論文永磁同步機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)研究單位：哈飛工業(yè)下屬單位：風電公司姓名：林志強2011年8月17日目錄第一章緒論- 1 -1.1 風力機對發(fā)電機及發(fā)電系統(tǒng)的一般要求- 1 -恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)- 1 -變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)- 2 -1.2 風力發(fā)電機組技術的發(fā)展- 4 -第二章變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)控制技術- 6 -2.1風力發(fā)電機控制系統(tǒng)組成- 6 -2.2葉尖速比理論- 6 -2.3變速恒頻風力發(fā)電機運行狀態(tài)- 7 -起動狀態(tài)- 8 -欠功率狀態(tài)- 8 -額定功率狀態(tài)- 8 -第三章永磁同步機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)- 10 -3.1永磁同步機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)構成- 10 -3.2永磁同步發(fā)

2、電機運行特性- 10 -3.3全功率變頻器- 11 -全功率變頻器整流電路- 12 -全功率變頻器逆變電路- 13 -第四章永磁同步機變速恒頻發(fā)電機系的轉速控制- 14 -4.1風力發(fā)電機轉速控制- 14 -4.2最大功率點跟蹤控制方案- 14 -第五章風力發(fā)電技術未來展望- 17 -5.1風場的選址- 17 -5.2風電機組技術- 17 -5.3風電機組的并網(wǎng)- 17 -參考文獻- 19 -第一章 緒論隨著全球常規(guī)能源的逐步衰竭，節(jié)能和可再生能源的利用成為了熱門課題。風能作為一種潔凈的可再生能源受到了人們的青睞。然而傳統(tǒng)的風力發(fā)電（是風能的主要利用形式）系統(tǒng)對風能的利用并不充分，造成了一定風

3、能資源的浪費。針對過去恒速恒頻發(fā)電方式的不足，各國學者開始研究各種變速恒頻的發(fā)電策略。變速恒頻發(fā)電方式的主要優(yōu)點是能根據(jù)不同的風速調(diào)整發(fā)電機的轉速使風力機能捕捉到最大的風能。1.1 風力機對發(fā)電機及發(fā)電系統(tǒng)的一般要求風力發(fā)電包括了由風能到機械能和由機械能到電能兩個能量轉換過程，發(fā)電機及其控制系統(tǒng)承擔了后一種能量轉換任務，它不僅直接影響這個轉換過程的性能、效率和供電質量，而且也影響到前一個轉換過程的運行方式、效率和裝置結構。因此，研制和選用適合于風能轉換用的、運行可靠、效率高、控制及供電性能良好的發(fā)電機系統(tǒng)是風力發(fā)電技術的一個重要部分。風速和風向是隨機變化的，為了高效轉化風能，要求葉輪轉速隨風速

4、相應變化，保持最佳的葉尖速比。恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)是較簡單的一種，一般都采用普通異步發(fā)電機作為主要發(fā)電單元。另一種是變速橫頻發(fā)電機系統(tǒng)，這是20世紀70年代中期以偶逐漸發(fā)展起來的一種新型風力發(fā)電系統(tǒng)。葉輪可以變轉速運行，可以在很寬的風速范圍內(nèi)保持近幾乎恒定的最佳葉尖速比，從而提高了風力機的運行效率，從風中獲取的能量可以比橫轉速風力機高得多。1.1.1恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)一般來說比較簡單，發(fā)電機一般采用普通工業(yè)異步電機，如圖1.1所示：圖1.1恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)1.1.2變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)主要優(yōu)點在于葉輪以變轉速運行，可以在很寬的風速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速

5、比，從而提高了風力機的運行效率，此外，這種風力機在結構上和使用中還有很多的優(yōu)越性，利用電力電子裝置是實現(xiàn)變轉速運行最佳化的最好方法之一。變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)的轉速控制通常是靠變頻器來實現(xiàn)的，根據(jù)發(fā)電機形式的不同，其并網(wǎng)方式也有所不同。因此，變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)按照發(fā)電機的種類不同也可以把變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)分為雙饋式、直驅式、半直驅式三種。.1雙饋式變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)雙饋式發(fā)電機系統(tǒng)一般都采用雙饋異步發(fā)電機，傳動系統(tǒng)結構如圖1.2所示。發(fā)電機定子與電網(wǎng)相連， 變頻器與發(fā)電機轉子和電網(wǎng)相連。當發(fā)電機轉速低于額定轉速時，發(fā)電機通過變頻器從電網(wǎng)吸收功率，當發(fā)電機高于額定轉速時，發(fā)電機通過變頻器向電網(wǎng)輸送功

6、率。所以變頻器功率僅為發(fā)電機功率的1/3。圖1.2 雙饋式變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)1.1.2.2直驅式風力發(fā)電機直驅式風機一般都采用永磁同步發(fā)電機，傳動系統(tǒng)結構如圖1.3所示。直驅式風機無齒輪箱所以它具有傳動效率高，發(fā)電機輸出功率全部經(jīng)過變頻器后并入電網(wǎng)，發(fā)電機輸出不穩(wěn)定頻率的電能經(jīng)過變頻器后轉化為穩(wěn)定頻率的電能，變頻器功率等同于發(fā)電機功率。圖1. 3 直驅式變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)1.1.2.3 半直驅式風機基于雙饋式風機和直驅風機各自優(yōu)缺點考慮，人們研發(fā)一種新型的風機，它采用了相對可靠的一級行星齒輪和適當?shù)脑鏊俦?，這一級行星齒輪與發(fā)電機集成在一起，構成了發(fā)電機單元。風機的葉輪和發(fā)電機單元直接相連接，使

7、風機所用的部件減少，這樣就兼有前面所提到的兩種風機的優(yōu)點：體積小，重量輕，效率高，同時可靠性高，可維護性好。這種新的風機技術稱為MULTIBRID技術，即半直驅風機。MULTIBRID技術的核心是采用一個一級行星增速器與一個永磁同步低速發(fā)電機相集成，構成一個發(fā)電單元，一級行星齒輪的增速比為5-10,降低了發(fā)電機的輸出扭矩。傳動系統(tǒng)結構如圖1.4所示。圖1.4 半直驅變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)1.2風力發(fā)電機組技術的發(fā)展隨著風電技術的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，風機正向著大容量、優(yōu)良的發(fā)電質量、提高材料利用率、減少噪音、降低成本、提高效率發(fā)展。20世紀80年代初，商品化的風電機組的單機容量以55kW的小型風力機組為

8、主；20世紀80年代中期-90年代初期，發(fā)展到以100kW-450kW為主，到20世紀90年代中后期，則發(fā)展到以500kW-1MW級的大型風力機組為主。目前，大型風力機組并網(wǎng)發(fā)電已成為風能利用的主要形式。在各類研究中，永磁同步機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)作為一種極具優(yōu)勢的方案受到了越來越多的重視。這是因為：1) 永磁同步發(fā)電機性能好，效率高，無需勵磁，與其他類型電機相比較尺寸小，重量輕；2) 永磁同步發(fā)電機的額定轉速可以做到很低，這樣便可與風力機直接耦合，省去了噪聲大、維護不方便且昂貴的齒輪箱；3) 拓撲結構可以比較簡單，控制方法相對容易掌握。本文重點以永磁同步機變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)為例，介紹變速恒頻發(fā)電

9、機系統(tǒng)的控制方法。第二章 變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)控制技術2.1風力發(fā)電機控制系統(tǒng)組成風力發(fā)電機控制系統(tǒng)主要控制風機運行的各個階段的轉換策略，例如靜止到空轉、空轉到正常風速下的功率輸出、正常風速到颶風狀態(tài)的風速停機等。如圖2.1所示為風機控制系統(tǒng)組成。圖2.1風機控制系統(tǒng)組成2.2葉尖速比理論風機葉片吸收風能在理論上有個最大值Cp=0.593，實際運行時不會超過這個值。從而引入葉尖速比概念：葉尖速比；為葉輪轉速；v風速。通過風洞試驗得到結論如圖2.2所示：功率系數(shù)cP圖2.2 葉尖速比與功率系數(shù)關系曲線從圖中我們可以看出葉尖速比在68之間風機功率系數(shù)Cp值最大。所以風力發(fā)電機運行在葉尖速比為6-8之

10、間時葉輪吸收的風能最大。2.3變速恒頻風力發(fā)電機運行狀態(tài)變速恒頻風力發(fā)電機組根據(jù)變槳系統(tǒng)所起到的作用可分為三種運行狀態(tài)，即風力發(fā)電機組起動狀態(tài)、欠功率狀態(tài)和額定功率狀態(tài)。如圖2.2所示：圖2.2 風機功率與葉片槳角對應關系2.3.1起動狀態(tài)變槳葉輪的槳葉在靜止時，槳葉角度為90度，這時氣流對槳葉不產(chǎn)生轉矩，整個槳葉實際上是一塊阻尼板。當風速達到起動風速時，槳葉向0度轉動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，葉輪開始起動。在發(fā)電機系統(tǒng)并入電網(wǎng)之前，風機控制系統(tǒng)以發(fā)電機轉速信號作為速度參考值，使用變槳系統(tǒng)作為控制葉片的執(zhí)行機構來控制槳葉的角度，最終實現(xiàn)控制發(fā)電機轉速使之平穩(wěn)上升。為了確保并網(wǎng)平穩(wěn)，對電網(wǎng)

11、產(chǎn)生盡可能小的沖擊，變槳系統(tǒng)可以在一定時間內(nèi)，保持發(fā)電機的旋轉在并網(wǎng)轉速附近，尋找最佳時機并網(wǎng)。2.3.2欠功率狀態(tài)風力發(fā)電機欠功率狀態(tài)就是風機并網(wǎng)以后，由于風速低于額定風速，發(fā)電機在額定功率以下的低功率運行狀態(tài)。如圖2.2所示工作區(qū)1。此工作區(qū)域風速在切入風速與額定風速之間變化，發(fā)電機轉速也隨風速在并網(wǎng)轉速與額定轉速之間變化。此工作區(qū)變槳系統(tǒng)槳葉角度始終處于0度位置。這時變速恒頻風力發(fā)電機組與恒速恒頻風力發(fā)電機組相同，其功率輸出完全取決于槳葉的氣動效率。變速恒頻風力發(fā)電機組為了改善低風速時槳葉的氣動性能，在控制方法上采用了最佳葉尖速比的控制策略。根據(jù)風速的大小，調(diào)整發(fā)電機的轉速，使其盡量運行

12、在最佳葉尖速比上，以獲取最大的Cp值，從而得到最大的功率輸出。額定功率狀態(tài)當風速到達或超過額定風速后，風力發(fā)電機組進入額定功率狀態(tài)。如圖2.2所示工作區(qū)2，發(fā)電機達到額定轉速且輸出額定功率。在此區(qū)間，控制系統(tǒng)以發(fā)電機轉速作為直接控制槳葉角度的變量，當風速變化時，變槳系統(tǒng)調(diào)節(jié)槳葉角度以控制發(fā)電機轉速恒定在額定轉速附近。隨著風電行業(yè)的快速發(fā)展，可利用的風資源也越來越少。如今剩下的風場大部分都是二類、三類風場，而在這種風場中風機大部分的工作時間都是在欠功率下運行，速恒頻風力發(fā)電機組的優(yōu)勢越來越趨明顯，所以變速恒頻風力發(fā)電機組在目前已經(jīng)成為市場上的主流機型，而且它還在向著增大單機容量這個方向發(fā)展。因此

13、，大風機在欠功率狀態(tài)下對發(fā)電機系統(tǒng)的控制顯得尤為重要。第三章 永磁同步機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)3.1永磁同步機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)構成變速恒頻風力發(fā)電機組一般只有直驅式、半直驅式風機才使用永磁同步發(fā)電機。永磁同步發(fā)電機無需勵磁繞組，且結構簡單、體積小，所以在大風機的制造上顯得十分具有優(yōu)勢。永磁同步發(fā)電機的輸出頻率通常低于50Hz，而且輸出頻率和電壓不恒定，無法滿足工業(yè)用電要求，所以必須要添加整流逆變器。常見的方案有采用背靠背雙PWM 變流器，如圖3.1所示。變流器把永磁同步機輸出的交流電轉變成符合要求的50Hz 交流電饋送回電網(wǎng)。圖3.1永磁同步機并網(wǎng)形式葉輪的轉速是無法直接控制的，但葉輪與發(fā)電機之間都

14、是機械聯(lián)接，所以只要控制發(fā)電機的轉速就可以控制葉片的轉速。所以風機轉速控制的目的主要就是控制發(fā)電機的轉速，這就是轉速控制的主要控制部分。3.2永磁同步發(fā)電機運行特性同步發(fā)電機通過轉矩平衡向原動機索取機械功率，再通過電樞回路的電壓平衡向負載輸出電功率。1) 轉矩平衡 T1原動機轉矩、T0空載制動轉矩、Te電磁轉矩空載 T1=T0負載 T1=T0+ Te2) 電壓平衡=3) 功率平衡原動機發(fā)電機負載同步發(fā)電機并網(wǎng)運行中必須隨負載的變化及時調(diào)節(jié)原動機的輸入轉矩T1和勵磁電流If，以保證轉速（頻率）和電壓等于額定值。永磁同步發(fā)電機由于采用了釹鐵硼作為磁極的磁性材料，所以它沒有勵磁繞組。永磁同步發(fā)電機的

15、轉矩控制是通過控制發(fā)電機的定子輸出電流來實現(xiàn)的。風力發(fā)電機不同于普通并網(wǎng)的汽輪發(fā)電機，在風力發(fā)電機并網(wǎng)運行時，原動機輸入轉矩T1（葉輪從風能中獲取的轉矩）是不可控的，可控的是風力發(fā)電機所帶的負載。風速變化時及時通過變頻器調(diào)節(jié)發(fā)電機的電磁轉矩（按設計葉尖速比），從而調(diào)節(jié)風力發(fā)電機所帶的負載大小。保證風力發(fā)電機能夠穩(wěn)定運行，且按照設計的葉尖速比運行。3.3全功率變頻器永磁同步電機的轉速一般都比較低，且低于工業(yè)上要求的并網(wǎng)頻率50Hz，所以永磁同步發(fā)電機并網(wǎng)運行必須要通過全功率變頻器與電網(wǎng)連接。發(fā)電機發(fā)出的頻率變化的交流電，經(jīng)過IGBT整流電路變?yōu)橹绷?，然后?jīng)過IGBT逆變電路轉變?yōu)轭l率50Hz的交

16、流電送入電網(wǎng)。同時變頻器還可以根據(jù)電網(wǎng)要求發(fā)出調(diào)節(jié)發(fā)電機的功率因數(shù)。風力發(fā)電機組變流器由整流電路和逆變電路組成，如圖3.2所示：圖3.2 變流器原理圖3.4.1全功率變頻器整流電路整流電路主要作用是控制發(fā)電機轉速及功率因數(shù)。圖3.3為整流電路原理圖圖4.1 整流電路原理圖在整流電路中，C1的電壓大小的變化反映了負載的變化；發(fā)電機額定運行時，負載為額定負載；當負載增大時，C1電壓降低；當負載減小時，C1電壓升高?？刂破鞲鶕?jù)C1電壓的變化及時調(diào)整發(fā)電機輸出功率，保證發(fā)電機輸出功率與負載相匹配。在風力發(fā)電中，風時變化的量，所以我們控制的目標就是控制負載的變化。根據(jù)葉尖速比的設計理念我們得出了風機吸收

17、的最大功率，但這個功率是隨風速變化而變化的?？刂破鞲鶕?jù)發(fā)電機轉速的變化，改變發(fā)電機繞組的輸出電流，增加發(fā)電機的電磁轉矩，即增加負載并同時維持C1電壓穩(wěn)定。發(fā)電機轉速增加，負載增加，C1電壓不變；發(fā)電機轉速降低，負載減小，C1電壓不變。3.4.2全功率變頻器逆變電路逆變電路變頻器與電網(wǎng)直接相連，逆變電路將整流電路整定的直流電流轉換為標準電網(wǎng)下的交流電，并送入電網(wǎng)維持風機穩(wěn)定的向電網(wǎng)輸送電能。逆變電路在變頻器運行中先啟動，首先將直流環(huán)節(jié)充電，然后將整流電路并入電網(wǎng)，完成了變頻器并網(wǎng)過程，并網(wǎng)之后建立了圖3.3所示C1電壓。逆變電路啟動完成后整流電路啟動，并進入完整的發(fā)電過程。永磁電機采用了全功率變

18、頻器，并沒有發(fā)電機與電網(wǎng)直接耦合連接，所以這種并網(wǎng)形式對電網(wǎng)的影響很小，且電能品質相對較高。在實際應用中，當風速在啟動風速上下頻繁變化時，發(fā)電機輸出功率介于零功率上下波動，全功率變頻器可以仍然與電網(wǎng)相連，這樣就避免了變頻器頻繁并網(wǎng)的環(huán)節(jié)，減少對電網(wǎng)的沖擊。第四章永磁同步機變速恒頻發(fā)電機系的轉速控制4.1風力發(fā)電機轉速控制風機轉速控制方法主要有直接轉速控制和間接轉速控制。直接轉速控制是根據(jù)風速產(chǎn)生的扭矩直接控制發(fā)電機的電磁扭矩，所以風速必須是個比較準確的值，但在實際中測量的風速偏差很大，所以這種直接轉速控制的精度就很難保證。間接轉速控制就是根據(jù)發(fā)電機的轉速變化改變發(fā)電機的電磁轉矩，從而控制發(fā)電機

19、轉速，使葉輪轉速變化跟蹤風速變化，保證最佳葉尖速比。由上面我們得出的公式可以看出，發(fā)電機轉速的平方與發(fā)電機電磁扭矩成正比關系，即。如圖4.1所示：圖4.1 間接轉速控制4.2最大功率點跟蹤控制方案前面我們講到最佳的葉尖速比值可以獲取最大的Cp值。如何獲得最佳葉尖速比成為轉速控制的關鍵環(huán)節(jié)，在風速可以從風速儀獲取。在實際應用中風的擾動很大，且風速的高頻分量不能作為控制發(fā)電機轉速的變量加載到控制模型中，所以風速在控制系統(tǒng)中只能作為一個繞動量來考慮。通過數(shù)學模型的變換，我們可以得到一個沒有風速的方程式，這樣就增加了控制的準確性，如下所示：發(fā)電機功率為同時葉尖速比所以得：在方程式里作為一個常數(shù)存在，我

20、們也稱之為機器常數(shù)。根據(jù)這個常數(shù)，可以計算得出發(fā)電機轉速與扭矩對應關系，如圖4.2所示，風機主控系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電機轉速的變化及時調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁轉矩，使風機吸收的風能與發(fā)電機所帶負載相匹配；并控制風機按最佳葉尖速比運行。圖4.2轉矩與轉速關系 在實際應用中，為了簡化控制過程，我們常采用查表的方法來控制發(fā)電機的轉矩，如圖4.3所示：圖4.3 發(fā)電機實際控制中的扭矩曲線控制系統(tǒng)將轉速與扭矩函數(shù)分成若干部分，每個部分發(fā)電機轉速與扭矩都成線性對應關系。這樣以來控制系統(tǒng)只要將發(fā)電機轉速作為一個變量，通過圖4.3扭矩曲線就可以迅速得出發(fā)電機應該輸出的扭矩期望值。風機主控系統(tǒng)把這個期望值傳遞給變發(fā)電機轉矩的執(zhí)行機

21、構（變頻器），從而實現(xiàn)了對發(fā)電機的轉矩控制。第五章 風力發(fā)電技術未來展望新型材料運用，設計水平的提高以及控制技術的改進都將使得風電機組功率曲線不斷改善，運行可靠性不斷提高，自動化程度不斷加深。結構簡單、容量大、穩(wěn)定性和適應性好、發(fā)電效率高、壽命長、智能化程度高及發(fā)電成本低皆是未來的風電機組不斷的追求。總體來說具體發(fā)展趨勢呈現(xiàn)以下幾個方面。5.1風場的選址風力大小與地形、地理位置等因素有關，如今的風電場玄珠也逐漸呈現(xiàn)以下一個趨勢。由強風帶向弱風帶過渡，啟動風速低，變速恒頻控制技術的應用使得風機在低風速下能夠最大限度地捕獲風能。由陸地向海上遷移，海平面十分平滑，因此風速較大，且具有穩(wěn)定的主導風向，允許安裝