不同整流系統(tǒng)對直驅(qū)永磁風力發(fā)電機的性能影響及選型評估
劉萬平1，趙祥1，任修明2，張新麗1
（1新疆金風科技股份有限公司，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)計兆瓦級永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組時，為降低整個機艙的重量，必須使多極永磁同步發(fā)電機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)電機出Lj側(cè)整流器類型的選擇對發(fā)電機的功率、效率，以及風力發(fā)電機組的產(chǎn)能具有非常大的影響一對電機模型及常用的變流系統(tǒng)控制策略進行了介紹；再以金風科技股份有限公刊l 200 kW直驅(qū)永磁同步發(fā)電機為實例，對不同整流系統(tǒng)下，電機磁鏈、電流、功率等參數(shù)的特陛曲線進行了理論分析及對比說明，詳細闡述了二極管整流、串聯(lián)電容補償二極管整流、并聯(lián)電容補償二極管整流及晶體管主動整流這四種整流系統(tǒng)對發(fā)電機運行眭能的影響；最后，針對不同整流系統(tǒng)的控制策略及其電機的設(shè)計特點列四種整流系統(tǒng)的選型方案進行了綜合評估。
關(guān)鍵詞：永磁直驅(qū)；風力發(fā)電機；整流系統(tǒng)
中圖分類號：TM315文獻標識碼：A文章編號
0 引 言
永磁電機由于具有效率高、免維護等優(yōu)點，加上與全功率變流器組合盾對電網(wǎng)優(yōu)越的動態(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)型風力發(fā)電機組【l-4】。根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同，應(yīng)用永磁技術(shù)的風力發(fā)電機組又可分為低速直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組和混合傳動風力發(fā)電機組。相對傳統(tǒng)的技術(shù)，低速直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組省去了維護量大、故障率高的齒輪箱，其多極永磁電機由葉輪直接驅(qū)動。這種技術(shù)主要適用于3 MW以內(nèi)的風力發(fā)電機組，當功率太大時，電機過大的直徑將使其制造、運輸及吊裝成本大幅上升；而混合傳動永
磁風力發(fā)電機組通過增加齒輪箱，提高了電機的轉(zhuǎn)速，使得電機的尺寸減小，同時又保持了永磁電機特有的技術(shù)優(yōu)勢。因此，在近年新涌現(xiàn)出來的多兆瓦級近海風機中，許多廠家均使用了這種概念。永磁電機采用永磁體勵磁，如果忽略溫度對永磁體的影響，轉(zhuǎn)子勵磁磁勢保持恒定。因此，當一臺電機設(shè)計完成以后，如忽略磁場飽和對電樞電感的影響，則電機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現(xiàn)，并達到調(diào)節(jié)電機輸出特性的目的。永磁電機交、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。對于基于二極管的被動整流，電機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)在電機與變流器之間的電容器來達到。如已大量投入商業(yè)運行的金風科技l 200kW及1 500 kW直驅(qū)風力發(fā)電機組，有部分機型就采用了并聯(lián)電容補償?shù)亩䴓O管整流方式；而基于快速關(guān)斷器件的主動整流變流器，可對電機電流矢量進行更為快速、靈活的控制，使電機性能達到****限度地利用。
本文以金風科技1 200 kW永磁同步發(fā)電機為例，對其采用的不同變流系統(tǒng)對電機性能的影響進行了綜合的分析和對比，并根據(jù)分析結(jié)果對電機與不同變流系統(tǒng)的匹配方案進行了評估，對根據(jù)電機設(shè)計特點如何進行變流系統(tǒng)選型具有一定的指導意義。
1 發(fā)電機的電氣模型和參數(shù)
本文所分析的發(fā)電機為金風科技1 200 kW直驅(qū)永磁同步發(fā)電機，該機組為商業(yè)機組，其電機參數(shù)為同類產(chǎn)品的典型參數(shù)。為了分析方便，所有的發(fā)電機叁數(shù)均被轉(zhuǎn)化為標幺值，基準參數(shù)分別為額定的電壓、電流和頻率。
根據(jù)上述基準值的定義，可以推算出所研究的1 200 kW發(fā)電機的定子電感L為0.45，工作溫度下的定子電阻為0. 024。電機的一相等值電路圖和向量圖分別如圖1、2所示。
金風科技1 200 kW永磁同步發(fā)電機轉(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)電動勢E可表示為：
在負載狀態(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對于面貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由于永磁體的相對磁
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