雙饋和永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性分析

1、專(zhuān)題高效與節(jié)能分析雙饋異步和永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性分析北車(chē)風(fēng)電力發(fā)電機(jī)組的葉片角度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，在不同的風(fēng)速情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)葉片的角度使攻角保持最佳狀態(tài)，從而獲得較大的轉(zhuǎn)換效率。變槳距機(jī)組的額定風(fēng)速較低，啟動(dòng)性能較好，而且在風(fēng)速超過(guò)額定值時(shí)通過(guò)變槳系統(tǒng)可以有效地控制葉片的迎風(fēng)角度，使得發(fā)電機(jī)有著較為平滑的功率曲線，大大提高了發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì)量。通過(guò)技術(shù)的不斷提高和新材料的不斷應(yīng)用，葉片結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越簡(jiǎn)單、重量也越來(lái)越輕，易于機(jī)組的大型化，因此大型風(fēng)電機(jī)組多采用變槳距技術(shù)。目前，風(fēng)電技術(shù)已發(fā)展到了更先進(jìn)的變速變槳距機(jī)型。變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組同時(shí)應(yīng)用了變槳技術(shù)和變速恒頻技術(shù)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速可根據(jù)風(fēng)速的

2、變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便最大限度地吸收風(fēng)的能量，提高轉(zhuǎn)換效率。由于在發(fā)電機(jī)中采用了變速恒頻技術(shù)，使發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速情況下的出力水平大幅度提高，總體發(fā)電效率得到進(jìn)一步提高。兆瓦級(jí)以上的機(jī)組大都是變速變槳距機(jī)型。發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)承擔(dān)了將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的任務(wù)，直接影響到轉(zhuǎn)換過(guò)程的效能、效率和供電質(zhì)量。而目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要采用兩種類(lèi)型：雙饋異步發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)。女，家，畢業(yè)于西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)，畢業(yè)后北車(chē)濟(jì)南軌道交通裝備從事貨車(chē)轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)工作，2008年7月轉(zhuǎn)入北車(chē)風(fēng)電從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)，主要從事風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)和究。狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面的研摘要：本文分析了雙饋異步和永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作

3、原理，詳細(xì)比較了兩種發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，最后得出結(jié)論：短期內(nèi)，DFIG仍將是主流機(jī)型，但隨著國(guó)家對(duì)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的要求越來(lái)越高，具有低電壓穿越能力的永磁同步發(fā)電機(jī)將是未來(lái)風(fēng)機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。：雙饋異步發(fā)電機(jī)；永磁同步發(fā)電機(jī)； 變速恒頻；低電壓穿越1概述雙饋異步發(fā)電機(jī)（ DFIG） 和永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）結(jié)構(gòu)分析DFIG工作原理在過(guò)去的20多年里，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量不斷擴(kuò)大，特別是最近幾年，大型機(jī)組得到迅速推廣應(yīng)用。技術(shù)的不斷進(jìn)步是機(jī)組單機(jī)容量得以不斷擴(kuò)大的基礎(chǔ)。早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部是定槳距失速型風(fēng)機(jī)。由于定槳距機(jī)組葉片的角度不能在風(fēng)速變雙饋異步發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與繞線式異步電類(lèi)似，定轉(zhuǎn)子三相對(duì)稱(chēng)，轉(zhuǎn)

4、子電流由滑環(huán)接入。風(fēng)速的變化通過(guò)增速齒輪箱傳遞到發(fā)電機(jī)，為了保持定子電流頻率的恒定，可以控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，使得發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，這些工作可以由變頻器來(lái)完成。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高（低）于同步速時(shí)，應(yīng)控制變頻器能量流入（出）電網(wǎng)，這樣就控制了電機(jī)定子向電網(wǎng)供應(yīng)電能頻率的穩(wěn)定。其原理框圖如圖1所示?；瘯r(shí)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)節(jié)，因此無(wú)法在低風(fēng)速時(shí)獲取最大的風(fēng)能；在風(fēng)速為額定風(fēng)速時(shí)功率最大，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定值后，發(fā)電功率又明顯下降，故定槳距失速型風(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益不甚理想，因此這種型的機(jī)組很難向大型化方向發(fā)展。目前該類(lèi)型的產(chǎn)品均為小型機(jī)組，兆瓦級(jí)機(jī)組均不采用此類(lèi)型的結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組發(fā)展到了變槳距系統(tǒng)

5、。變槳距風(fēng)28AUTOMATION PANORAMA技術(shù)專(zhuān)題.indd 282010-8-308:54:323DFIG和PMSG結(jié)構(gòu)性能比較（如表1所示）4DFIG和PMSG發(fā)電量比較按照現(xiàn)行變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大功率捕獲原理，風(fēng)力發(fā)電機(jī)從切入風(fēng)速（Cut-in wind speed）到額定風(fēng)速（Rated wind speed）這一過(guò)程中，通過(guò)變槳技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)工況下圖1 雙饋發(fā)電機(jī)原理圖當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，控制轉(zhuǎn)子電流的頻的最優(yōu)化，從實(shí)際風(fēng)速分布統(tǒng)計(jì)情況來(lái)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行最多的時(shí)段也基本上是集中在這一工況下，且這一工況下的出力為最多。從圖3中可以看出，在額定風(fēng)速以下時(shí)，永

6、磁發(fā)電機(jī)比雙饋異步發(fā)電機(jī)風(fēng)能利用率明顯高，根據(jù)芬蘭公司The switch的計(jì)算，相同功率等級(jí)的風(fēng)機(jī)采用永磁發(fā)電機(jī)比雙饋異步發(fā)電機(jī)的年輸出率，可使定子頻率恒定，即應(yīng)滿足：。式中：為定子電流頻率，由于定子與電網(wǎng)相連，所以與電，p為電機(jī)的極對(duì)網(wǎng)頻率相同； 為轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率，數(shù)； 為轉(zhuǎn)子電流頻率。電能最高可以高出20%，從20年的風(fēng)機(jī)使用來(lái)看，這產(chǎn)生的nn1時(shí)，處于超同步運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)同時(shí)子和轉(zhuǎn)子發(fā)出電能給電網(wǎng)，變流器的能量流向逆向；n=n1時(shí)，處于同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)作為同步電機(jī)運(yùn)行， =0，勵(lì)磁變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁。而n=pnm，當(dāng)n發(fā)生變化時(shí)，即p 發(fā)生變化，若控制轉(zhuǎn)子供電頻率 做相應(yīng)

7、變化，可使致，實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制。2.2 PMSG工作原理保持恒定不變，與電網(wǎng)頻率保持一永磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是以永磁發(fā)電機(jī)和全功率變流器為的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)電機(jī)組通過(guò)全功率變頻器和變壓器與高壓電網(wǎng)相聯(lián)，變頻器將風(fēng)電機(jī)組輸出的不停變化交流電壓，首先變換成直流，再逆變成電壓頻率和幅值及相位與電網(wǎng)一致的交流電源電壓。圖3 DFIG和PMSG發(fā)電量比較5結(jié)論（1） 從結(jié)構(gòu)分析來(lái)看，DFIG和PMSG在技術(shù)參數(shù)上各有優(yōu)缺點(diǎn)，DFIG相比PMSG變流器容量小，易于安裝和，成本低，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量和體積比同步發(fā)電機(jī)大大減小。但低電壓穿越功能不強(qiáng)，需要在變流器中額外增加模塊，現(xiàn)在DFIG的市場(chǎng)認(rèn)可度較高，但由于其

8、低電壓穿越能力不好，所以，如果國(guó)家以后出臺(tái)并網(wǎng)要求相關(guān)規(guī)定后，市場(chǎng)將傾向于同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。（2）就技術(shù)成熟度來(lái)講，目前國(guó)內(nèi)外DFIG技術(shù)成熟，國(guó)內(nèi)大多數(shù)兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)均采用該機(jī)型，而PMSG國(guó)內(nèi)該方面的技術(shù)尚圖2 永磁同步發(fā)電機(jī)工作原理圖該系統(tǒng)如圖2所示，與籠型異步發(fā)電速恒頻風(fēng)力發(fā)電系處于研發(fā)階段，不完善，基本要依賴(lài)進(jìn)口。統(tǒng)類(lèi)似，只是所采用的發(fā)電機(jī)為永磁同步發(fā)電機(jī)。（3）就成本來(lái)講，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組比同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)式中， 電網(wǎng)頻率（ Hz）； （Hz）； K功率變換器頻率變比。當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，發(fā)電機(jī)定子輸出頻率也跟隨變化，通過(guò)功率變換器將定子發(fā)出的變頻變壓的電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率幅值一致的穩(wěn)定電能

9、。組要低一些，雙饋式風(fēng)器的成本價(jià)格低30%左右。流器（風(fēng)機(jī)容量相同）比全功率變流發(fā)電機(jī)定子輸出頻率（4）從發(fā)電質(zhì)量和發(fā)電量來(lái)看，雙饋式異步發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能都是經(jīng)變壓器升壓后直接與電網(wǎng)并聯(lián)，加之在轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中采用了電力電子裝置，會(huì)產(chǎn)生電力諧波，發(fā)電機(jī)在向電網(wǎng)輸出29AUTOMATION PANORAMA技術(shù)專(zhuān)題.indd 292010-8-30 8:54:32專(zhuān)題高效與節(jié)能分析表1DFIG和PMSG結(jié)構(gòu)性能比較有功功率的同時(shí)，還必須從電網(wǎng)吸收滯后的無(wú)功功率，使功率因長(zhǎng)，風(fēng)電在整個(gè)電網(wǎng)所占不斷加大，電力部門(mén)對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)的數(shù)，加重了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)；而PMSG具備最大風(fēng)能、定子要求也會(huì)越來(lái)越北電網(wǎng)已正式出

10、臺(tái)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)），可以預(yù)側(cè)功率因數(shù)和網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)調(diào)節(jié)功能以及有功、無(wú)功的解耦控制功能，由于并網(wǎng)電路將PMSG與電網(wǎng)分開(kāi)，因此該電路具有故障的能力，不會(huì)因電網(wǎng)故障損害PMSG，也不會(huì)因PMSG故障對(duì)見(jiàn)具備“低電壓穿越功能”的全功率變流同步機(jī)型必將是今后風(fēng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。電網(wǎng)產(chǎn)生影響。該電路還具備有功無(wú)功的能力，以保證參考文獻(xiàn)：123（6）. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)M.: 機(jī)械工業(yè), 2007., 2006.1.在無(wú)風(fēng)或少?zèng)r下對(duì)電網(wǎng)起到穩(wěn)定支撐作用。同時(shí)在同一工況和. 永磁電機(jī)M.: 中國(guó)電力條件下PMSG比DFIG發(fā)電量要高出很多。綜上，雙饋異步機(jī)型成本較低，在短期內(nèi)它將是主流機(jī)型，具有很強(qiáng)的市

11、場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。但隨著國(guó)家風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的快速增, 段向陽(yáng). 風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)J.電力, 2007, 3130AUTOMATION PANORAMA技術(shù)專(zhuān)題.indd 302010-8-30 8:54:32DFIGPMSG名稱(chēng)解釋定子功率和轉(zhuǎn)差功率可以分別向定子和轉(zhuǎn)子饋入，也可從定子和轉(zhuǎn)子輸出，故稱(chēng)為雙饋轉(zhuǎn)子上裝有永磁體，定子電流頻率與轉(zhuǎn)速有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系，故稱(chēng)為永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)上與普通繞線式異步電機(jī)相似。定子：三相對(duì)稱(chēng)交流繞組，通過(guò)變壓器直接接入電網(wǎng)轉(zhuǎn)子：通過(guò)滑環(huán)、電刷接至頻率、幅值、相位均可調(diào)的三相變頻器進(jìn)行交流勵(lì)磁定子：與DFIG無(wú)本質(zhì)區(qū)別，亦為三相對(duì)稱(chēng)交流繞組轉(zhuǎn)子：無(wú)勵(lì)磁

12、繞組，在轉(zhuǎn)子鐵芯表面裝有永磁體，無(wú)需勵(lì)磁電源，效率高，長(zhǎng)勵(lì)磁由電網(wǎng)通過(guò)雙向變流器進(jìn)行勵(lì)磁，勵(lì)磁可調(diào)永磁體勵(lì)磁，勵(lì)磁不可調(diào)尺寸重量尺寸和重量為中等水平造價(jià)低高速PMSG由于沒(méi)有勵(lì)磁電源，采用高性能的永磁材料，通過(guò)合理電機(jī)設(shè)計(jì)可以?xún)?yōu)化電機(jī)磁路，提高功率密度，所以其尺寸和重量與同等功率等級(jí)的發(fā)電機(jī)相比較?。▍⒖贾荡蠹s為2035），但成本相應(yīng)較高(主要是高性能永磁體造價(jià)很高)變流器變流器位于轉(zhuǎn)子側(cè)以控制轉(zhuǎn)差頻率f2，實(shí)現(xiàn)變速情況下f1恒頻。而轉(zhuǎn)子側(cè)電功率只有sP1（s為轉(zhuǎn)差率），所以變流器容量小、成本低定子輸出頻率無(wú)法通過(guò)勵(lì)磁調(diào)節(jié)，且隨轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)變化，所以為了實(shí)現(xiàn)恒頻輸出需要采用全功率變流器，容量大、成

13、本高無(wú)功調(diào)節(jié)DFIG勵(lì)磁可調(diào)量有3個(gè)：勵(lì)磁電流的頻率：保證變速時(shí)定子電流恒頻幅值、相位：調(diào)節(jié)DFIG的有功功率和無(wú)功功率，改善電網(wǎng)質(zhì)量PMSG勵(lì)磁不可調(diào)，決定了發(fā)電機(jī)輸出端的功率因數(shù)無(wú)法控制，只能通過(guò)變流器控制輸出到電網(wǎng)端的電能并點(diǎn)由變流器控制電壓匹配、同步和相位控制，并網(wǎng)迅速，基本無(wú)電流沖擊；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可隨時(shí)根據(jù)風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整，是機(jī)組運(yùn)行于最佳葉尖速比；變流器位于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路中，容量小、成本低，可靈活調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率采用全功率變流裝置，基本無(wú)電流沖擊；采用AC-DC-AC方式，發(fā)電機(jī)頻率與電網(wǎng)頻率彼此獨(dú)立，避免了同步電機(jī)的失步問(wèn)題；頻率變換裝置雖可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，但會(huì)有高頻電流流

14、入電網(wǎng)低電壓穿越的分析DFIG定子側(cè)與電網(wǎng)通過(guò)變壓器直接相連，轉(zhuǎn)子側(cè)與電網(wǎng)間有雙向變流器進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)，故只能對(duì)發(fā)電機(jī)組實(shí)施部分調(diào)節(jié)。當(dāng)電網(wǎng)電壓突然跌落瞬間，定子磁鏈不能跟隨定子端電壓突變從而產(chǎn)生直流分量，由于積分量減小，定子磁鏈不發(fā)生變化，而轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生較大的滑差，從而引起轉(zhuǎn)子繞組的過(guò)壓、過(guò)流。如果電網(wǎng)為不對(duì)稱(chēng)故障的話，因?yàn)槎ㄗ又谐霈F(xiàn)負(fù)序分量導(dǎo)致更大的滑差，會(huì)使轉(zhuǎn)子過(guò)壓過(guò)流現(xiàn)象更嚴(yán)重。過(guò)流會(huì)損壞變流器，過(guò)壓會(huì)使繞組絕緣被擊穿，所以對(duì)于DFIG必須采用LVRT技術(shù)由于采用了全功率變流器，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間是 的，故電網(wǎng)電壓的跌落不會(huì)直接作用在發(fā)電機(jī)的定子上，不會(huì)直接影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行。故PMSG不需要LVRT技術(shù)DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)有電刷、滑環(huán)，以對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般半年需要更換電刷，2年更換滑環(huán)。轉(zhuǎn)子繞組也使得DFIG的可靠性比PMSG低。電機(jī)成本高，頻度高PMSG轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組、電刷、滑環(huán)，因此其性強(qiáng)于DFIG。但由于永磁體在高溫、振動(dòng)等環(huán)境下存在失磁，在過(guò)