大功率直驅式變速恒頻風力發(fā)電技術綜述
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式風力發(fā)電系統(tǒng)已成為大功率風電機組的主導技術之一。傳統(tǒng)風電系統(tǒng)的齒輪傳動裝置不僅降低了風電轉換效率，產生噪聲污染，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。直驅式風電機組雖然增加了電機的設計成本，但卻有效提高了系統(tǒng)效率及運行可靠性。在對大功率直驅式風電機組發(fā)電機及其功率控制進行對比、分析的基礎上，指出今后的發(fā)展方向。
關鍵詞：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商品化；風力機的變槳距功率調節(jié)取代了走槳距調節(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，提高了分布或并網運行的穩(wěn)定性和電能質量。
在風力發(fā)電系統(tǒng)的機電能量轉換過程中，發(fā)電機及其控制系統(tǒng)具有十分關鍵的作用，它不僅直接影響整個系統(tǒng)的性能、效率和供電質量，而且也影響到風能吸收裝置的運行方式、效率和結構。因此，研究適合于風電轉換的運行可靠、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)。直驅式風電系統(tǒng)通過將風力機與發(fā)電機轉子直接耦合，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式風電領域的應用進行分析比較，并介紹了相關的發(fā)電控制技術�？梢韵嘈�，隨著電力半導體器件和鐵磁材料的發(fā)展，在直驅式風力發(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直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)結構
圖1是以永磁發(fā)電機和全功率變換器為核心的直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)拓撲。由于采用永磁體勵磁，發(fā)電機不必從電網或發(fā)電機側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；根據風能變化，通過變速恒頻控制優(yōu)化系統(tǒng)輸出功率；網側變流器可以改善功率因數，并在一定范圍調節(jié)輸出電壓。
根據發(fā)電機結構的不同，直驅式風電系統(tǒng)有內轉子型和外轉子型兩種拓撲：內轉子型是一種常規(guī)發(fā)電機形式，風力機和永磁體內轉子同軸安裝：這種結構的發(fā)電機定子繞組和鐵心通風散熱好，溫度低，定子外形尺寸��；外轉子型是風力機與發(fā)電機的永磁體外轉予直接耦合，定子電樞安裝在靜止軸上。這種結構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，永磁體轉子直徑大，不易密封防護。
2直驅式風力發(fā)電機
根據發(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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