不同整流系統(tǒng)對(duì)直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能影響及選型評(píng)估
劉萬平1，趙祥1，任修明2，張新麗1
（1新疆金風(fēng)科技股份有限公司，新疆烏魯木齊830026 ； 2中船重工71 2研究所，湖北武漢430064）
摘要：在設(shè)計(jì)兆瓦級(jí)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時(shí)，為降低整個(gè)機(jī)艙的重量，必須使多極永磁同步發(fā)電機(jī)具有較高的功率密度，這就需要其具有較高的電感值。因此，發(fā)電機(jī)出Lj側(cè)整流器類型的選擇對(duì)發(fā)電機(jī)的功率、效率，以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的產(chǎn)能具有非常大的影響一對(duì)電機(jī)模型及常用的變流系統(tǒng)控制策略進(jìn)行了介紹；再以金風(fēng)科技股份有限公刊l 200 kW直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)為實(shí)例，對(duì)不同整流系統(tǒng)下，電機(jī)磁鏈、電流、功率等參數(shù)的特陛曲線進(jìn)行了理論分析及對(duì)比說明，詳細(xì)闡述了二極管整流、串聯(lián)電容補(bǔ)償二極管整流、并聯(lián)電容補(bǔ)償二極管整流及晶體管主動(dòng)整流這四種整流系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行眭能的影響；最后，針對(duì)不同整流系統(tǒng)的控制策略及其電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)列四種整流系統(tǒng)的選型方案進(jìn)行了綜合評(píng)估。
關(guān)鍵詞：永磁直驅(qū)；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；整流系統(tǒng)
中圖分類號(hào)：TM315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)
0 引 言
永磁電機(jī)由于具有效率高、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，加上與全功率變流器組合盾對(duì)電網(wǎng)優(yōu)越的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性，近10年來被越來越多地應(yīng)用于大功率、并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組【l-4】。根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同，應(yīng)用永磁技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組又可分為低速直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和混合傳動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。相對(duì)傳統(tǒng)的技術(shù)，低速直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組省去了維護(hù)量大、故障率高的齒輪箱，其多極永磁電機(jī)由葉輪直接驅(qū)動(dòng)。這種技術(shù)主要適用于3 MW以內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，當(dāng)功率太大時(shí)，電機(jī)過大的直徑將使其制造、運(yùn)輸及吊裝成本大幅上升；而混合傳動(dòng)永
磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過增加齒輪箱，提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得電機(jī)的尺寸減小，同時(shí)又保持了永磁電機(jī)特有的技術(shù)優(yōu)勢。因此，在近年新涌現(xiàn)出來的多兆瓦級(jí)近海風(fēng)機(jī)中，許多廠家均使用了這種概念。永磁電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，如果忽略溫度對(duì)永磁體的影響，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁勢保持恒定。因此，當(dāng)一臺(tái)電機(jī)設(shè)計(jì)完成以后，如忽略磁場飽和對(duì)電樞電感的影響，則電機(jī)氣隙磁場的改變只能通過調(diào)節(jié)交、直軸電流的分量來實(shí)現(xiàn)，并達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)輸出特性的目的。永磁電機(jī)交、直軸電流的調(diào)節(jié)措施，與其所配套使用的變流器中整流器的類型有直接關(guān)系。對(duì)于基于二極管的被動(dòng)整流，電機(jī)的輸出電流矢量不能通過變流器控制，只能通過調(diào)節(jié)并聯(lián)或串聯(lián)在電機(jī)與變流器之間的電容器來達(dá)到。如已大量投入商業(yè)運(yùn)行的金風(fēng)科技l 200kW及1 500 kW直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，有部分機(jī)型就采用了并聯(lián)電容補(bǔ)償?shù)亩䴓O管整流方式；而基于快速關(guān)斷器件的主動(dòng)整流變流器，可對(duì)電機(jī)電流矢量進(jìn)行更為快速、靈活的控制，使電機(jī)性能達(dá)到****限度地利用。
本文以金風(fēng)科技1 200 kW永磁同步發(fā)電機(jī)為例，對(duì)其采用的不同變流系統(tǒng)對(duì)電機(jī)性能的影響進(jìn)行了綜合的分析和對(duì)比，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)電機(jī)與不同變流系統(tǒng)的匹配方案進(jìn)行了評(píng)估，對(duì)根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)如何進(jìn)行變流系統(tǒng)選型具有一定的指導(dǎo)意義。
1 發(fā)電機(jī)的電氣模型和參數(shù)
本文所分析的發(fā)電機(jī)為金風(fēng)科技1 200 kW直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)，該機(jī)組為商業(yè)機(jī)組，其電機(jī)參數(shù)為同類產(chǎn)品的典型參數(shù)。為了分析方便，所有的發(fā)電機(jī)叁數(shù)均被轉(zhuǎn)化為標(biāo)幺值，基準(zhǔn)參數(shù)分別為額定的電壓、電流和頻率。
根據(jù)上述基準(zhǔn)值的定義，可以推算出所研究的1 200 kW發(fā)電機(jī)的定子電感L為0.45，工作溫度下的定子電阻為0. 024。電機(jī)的一相等值電路圖和向量圖分別如圖1、2所示。
金風(fēng)科技1 200 kW永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為面貼式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子磁場接近正弦波，因此轉(zhuǎn)子磁場在定子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢E可表示為：
在負(fù)載狀態(tài)下，定子繞組電流t產(chǎn)生磁場，其中一部分磁場通過定子齒、定子軛、氣隙、磁鋼和轉(zhuǎn)子軛閉合，稱為電樞反應(yīng)磁場，其產(chǎn)生的電抗稱為電樞反應(yīng)電抗Xsh；另一部分僅通過定子齒、槽和定子軛，稱為漏磁場，其產(chǎn)生的電抗稱為漏電抗xσ對(duì)于面貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由于永磁體的相對(duì)磁
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