大功率直驅(qū)式變速恒頻風力發(fā)電技術(shù)綜述
包廣清1，施進浩2，江建中3
（1蘭州理工大學，陜西蘭州730050；2中國電子科技集團公司第21研究所，上海200233；3．上海大學，上海200072）
摘要：采用無齒輪箱的直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)已成為大功率風電機組的主導技術(shù)之一。傳統(tǒng)風電系統(tǒng)的齒輪傳動裝置不僅降低了風電轉(zhuǎn)換效率，產(chǎn)生噪聲污染，更成為發(fā)生機械故障的主要原因之一，同時為減少機械磨損，還需要潤滑清洗等定期維護。直驅(qū)式風電機組雖然增加了電機的設(shè)計成本，但卻有效提高了系統(tǒng)效率及運行可靠性。在對大功率直驅(qū)式風電機組發(fā)電機及其功率控制進行對比、分析的基礎(chǔ)上，指出今后的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：風力發(fā)電；永磁同步發(fā)電機；功率變換器；變速恒頻
中圖分類號. TM341；TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1004 -7018（2008）9 -0052 -04
0引 言
隨著人類社會的發(fā)展，能源與環(huán)境問題已成為全球可持續(xù)發(fā)展所面臨的主要問題，風力發(fā)電以其無污染和可再生性，日益受到世界各國的重視，并保持增長最快的能源地位。近年來，風電技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展。單機容量不斷提高，兆瓦級風電機組實現(xiàn)商品化；風力機的變槳距功率調(diào)節(jié)取代了走槳距調(diào)節(jié)，發(fā)電機的變速恒頻運行取代了傳統(tǒng)的恒速恒頻運行，系統(tǒng)效率進一步提高；實現(xiàn)了風電場的實時監(jiān)控、遠程測控及計算機群控，提高了分布或并網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。
在風力發(fā)電系統(tǒng)的機電能量轉(zhuǎn)換過程中，發(fā)電機及其控制系統(tǒng)具有十分關(guān)鍵的作用，它不僅直接影響整個系統(tǒng)的性能、效率和供電質(zhì)量，而且也影響到風能吸收裝置的運行方式、效率和結(jié)構(gòu)。因此，研究適合于風電轉(zhuǎn)換的運行可靠、效率高、控制簡單及供電性能良好的發(fā)電系統(tǒng)具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。目前，風電機組朝著高可靠性、低維護量、少組件、低成本、高集成度方向發(fā)展，傳統(tǒng)風電機組中齒輪箱的存在成為制約其進一步發(fā)展的重要因素之一。上世紀末，許多歐洲國家開展了無齒輪箱的直驅(qū)式風電機組研究，其市場份額迅速擴大，德國在2004年安裝的風電機組中就有百分之40.9采用了無齒輪箱系統(tǒng)。直驅(qū)式風電系統(tǒng)通過將風力機與發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接耦合，機組性能得到改善：
(1)由于省去了齒輪箱，沒有傳動磨損和漏油所造成的機械故障，減少了機組維護，降低了噪聲污染，提高了機組的可靠性和使用壽命。
(2)取消了齒輪箱傳動軸，機組水平方向長度大大縮短，增加機組穩(wěn)定性。
(3)直驅(qū)式永磁風力發(fā)屯系統(tǒng)不需要電勵磁裝置，提高了發(fā)電效率，具有重量輕、可靠性好等優(yōu)點。
本文從發(fā)電機的性能、設(shè)計、可控性及功率控制等方面，對不同類型的多極永磁同步電動機在直驅(qū)式風電領(lǐng)域的應(yīng)用進行分析比較，并介紹了相關(guān)的發(fā)電控制技術(shù)�？梢韵嘈�，隨著電力半導體器件和鐵磁材料的發(fā)展，在直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)中，占成本比例相對較高的功率變換器和發(fā)電機，其性價比不斷提高，這種省去齒輪箱的直驅(qū)式風電系統(tǒng)將成為今后大功率風力發(fā)電的主要發(fā)展方向。
l直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1是以永磁發(fā)電機和全功率變換器為核心的直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)拓撲。由于采用永磁體勵磁，發(fā)電機不必從電網(wǎng)或發(fā)電機側(cè)變流器得到無功功率；中間直流環(huán)節(jié)的存在，發(fā)電機與電力系統(tǒng)沒有無功能量交換；根據(jù)風能變化，通過變速恒頻控制優(yōu)化系統(tǒng)輸出功率；網(wǎng)側(cè)變流器可以改善功率因數(shù)，并在一定范圍調(diào)節(jié)輸出電壓。
根據(jù)發(fā)電機結(jié)構(gòu)的不同，直驅(qū)式風電系統(tǒng)有內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型兩種拓撲：內(nèi)轉(zhuǎn)子型是一種常規(guī)發(fā)電機形式，風力機和永磁體內(nèi)轉(zhuǎn)子同軸安裝：這種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機定子繞組和鐵心通風散熱好，溫度低，定子外形尺寸小；外轉(zhuǎn)子型是風力機與發(fā)電機的永磁體外轉(zhuǎn)予直接耦合，定子電樞安裝在靜止軸上。這種結(jié)構(gòu)易于永磁體安裝固定，缺點是對電樞鐵心和繞組通風冷卻不利，永磁體轉(zhuǎn)子直徑大，不易密封防護。
2直驅(qū)式風力發(fā)電機
根據(jù)發(fā)電機中主磁通方向的不同，可以把發(fā)電機分成徑向磁通電機、軸向磁通電機和橫向磁通電機三大類。
2.1徑向磁通發(fā)電機(RFPG)
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