1、d t L r_ZVYYAd t L r_ZVYYA電問直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)概述1引言隨著風電機組單機容量的增大，雙饋型風電系統(tǒng)中齒輪箱的高速傳動部件故障問題日益突 出，于是沒有齒輪箱而將主軸與低速多極同步發(fā)電機直接連接的直驅式布局應運而生；從 中長期來看，直驅型和半直驅型傳動系統(tǒng)將逐步在大型風電機組中占有更大比例，另外在 傳動系統(tǒng)中采用集成化設計和緊湊型結構是未來大型風電機組的發(fā)展趨勢。在大功率變流 技術和高性能永磁材料日益發(fā)展完善的背景下，大型風電機組越來越多地采用pmsg, pmsg不從電網吸收無功功率，無需勵磁繞組和直流電源，也不需要滑環(huán)碳刷，結構簡單且技術可靠性高，對電網運行影響小。p

2、msg與全功率變流器結合可以顯著改善電能質量，減輕對低壓電網的沖擊，保障風電并網后的電網可靠性和安全性，與雙饋型機組（變流器容量通常為1/3風電機組額定功率）相比，全功率變流器更容易實現低電壓穿越等功能，更容易滿足電網對風電并網日益嚴格的要求口-2中國風電行業(yè)發(fā)展迅速，但與國際發(fā)展水平還有很大差距，目前主要依靠進口，對外依賴 性強；基于pmsg和背靠背雙pwm變流器的直驅型風電系統(tǒng)是一種發(fā)展很快的技術，具有 優(yōu)良的性能，國外大型風電廠商已有成熟的直驅風電產品，國內在理論研究與產品性能 方面，都還亟需提高與改進，因此很有必要對其涉及的關鍵技術進行研究。2直接驅動型風力發(fā)電系統(tǒng)介紹圖1是典型的永磁

3、直驅型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)，包括永磁同步發(fā)電機（pmsg和全功率背靠背雙pwm變流器，無齒輪箱。pmsg通過全功率變流器直接與電網連接，通常極對數較多，低轉速，大轉矩，徑向尺寸較大，軸向尺寸較小，呈圓環(huán)狀；由于省去 了齒輪箱，從而簡化了傳動鏈，提高了系統(tǒng)效率，降低了機械噪聲，減小了維修量，提高了機組的壽命和運行可靠性；發(fā)電機通過變流器與電網隔離，因此其應對電 網故障的能力更強，與dfig風電系統(tǒng)相比，更容易實現低電壓穿越功能。但是永磁材料目前的成本仍然較高；變流器容量較大，損耗較大，變流器的成本較高。理 論上永磁體在高溫時存在失磁的風險，但是近年來隨著永磁材料性能的不斷提高、價格的 下降，pm

4、sg+全功率變流器已經成為一種很有吸引力和應用前景的方案3-4。目前， zephyros, mitsubishi，新疆金風等在市場上有這類產品。電機側豐換器JtA jA J A永磁同分發(fā)電機風力機圖1永磁直驅型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)針對圖1的pmsg直驅型風電系統(tǒng)，還可以采用電勵磁同步發(fā)電機（electricallyexcited synchronous generator， eesc），通常在轉子側進行直流勵磁。使用eesc相比使用pmsg的優(yōu)勢在于，轉子勵磁電流可控，可以控制磁鏈在不同功率段獲得最小損耗；而且不需要使用成本較高的永磁材料，也避免了永磁體失磁的風險，enercon公司 主要經營

5、這類產品。但是eesc需要為勵磁繞組提供空間，會使電機尺寸更大，轉子繞組 直流勵磁需要滑環(huán)和電刷。pmsg由于不是標準產品，在尺寸及結構上有很大的靈活性，根據磁通分布可以分為以下幾類：徑向磁通永磁電機(radial flux pm machine，rfpm)、軸向磁通(axial flux pmmachine，afpm)和橫向磁通(transversal flux pmmachine，tfpm)，其中rfpm結構簡單穩(wěn)固，功率密度更高，在大功率直驅型風電系統(tǒng) 中得到了較多應用*-7目前市場上已有的直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)產品，根據發(fā)電機類型、額定功率和轉速以及廠家 的不同，可以匯總得到表1。表1不同

6、廠家的直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)產品1： ESG (KF)4.5 /EncrcanPMSG (RFI1 5(2) / IA(23)PM Sti (RKi2/24VlEisubishi(WJi3.5/19ScamvinclfVISC (Rl* |U/25Lcilwindl： ESG1.65/20MTorresPMSG (RF)2.S/1416)VcnsysPMSG R 門1.5/J9Goldwi門我PMSG (AJ)0,75 / 2SJcuumiH (X .)表2給出了幾個廠家直驅風力發(fā)電機的比較，包括風力發(fā)電機類型、轉子速度、轉矩、直 徑、總質量、質量轉矩比等。表2幾個廠家直驅風力發(fā)電機的比較RK/I

7、XA/取屯機英型PMSGWSG轉min)18E913轉挺t kN J20IUnwK徑伽)4912Slfl(ton)4022046.4IS .466.53直驅風電變流器電力電子變流器作為風力發(fā)電與電網的接口，作用非常重要，既要對風力發(fā)電機進行控制，又要向電網輸送優(yōu)質電能，還要實現低電壓穿越等功能；隨著風力發(fā)電的快速發(fā) 展和風電機組單機容量的不斷增大，變流器的容量也要隨之增大，因此大容量多電平變流器也開始得到應用，以下將對一些典型變流器拓撲結構進行討論。從圖1中可以看到，典型的永磁直驅變速恒頻風電系統(tǒng)中，采用背靠背雙pwm變流 器， 包括電機側變流器與電網側變流器，能量可以雙向流動。對pmsg直驅

8、系統(tǒng)，電機側pwm變流器通過調節(jié)定子側的dq軸電流，實現轉速調節(jié)及電機勵磁與轉矩的解耦控制，使發(fā)電機運行在變速恒頻狀態(tài)，額定風速以下具有最大風能捕獲功能。電網側pwm變流器通過調節(jié)網側的dq軸電流，保持直流側電壓穩(wěn)定，實現有功和無功的 解耦控制，控制流向電網的無功功率，通常運行在單位功率因數狀態(tài)，還要提高注入電 網的電能質量。背靠背雙pwm變流器是目前風電系統(tǒng)中常見的一種拓撲，國內外對其研 究較多，主要集中在變流器建模、控制算法以及如何提高其故障穿越能力等方面89。國 外公司如abb、alstom，國內公司如合肥陽光電源等，均有這類變流器產品。對直驅型風電系統(tǒng)，變流器拓撲的選擇較多。圖 2是不

9、控整流+boost變換器+逆變 拓撲結構，通過boost變換器實現輸入側功率因數校正( power factor correction, pfc)，提 高發(fā)電機的運行效率，保持直流側電壓的穩(wěn)定，對pmsg的電磁轉矩和轉速進行控制，實現變速恒頻運行，在額定風速以下具有最大風能捕獲功能何。國外enercon公司的直驅風電系統(tǒng)e82(2mw卜國內合肥陽光電源的小型并網風力機變流 器使用 這種拓撲。圖2不控整流+dc/dc變換+逆變拓撲隨著風電機組單機容量的不斷增大，風電變流器的電壓與電流等級也在不斷提高，因此多電平變流器拓撲得到了廣泛關注。變流器采用多電平方式后，可以在常規(guī)功率器件 耐壓基礎上，實現

10、高電壓等級，獲得更多級(臺階)的輸出電壓，使波形更接近正弦，諧波含量少，電壓變化率小，并獲得更大的輸出容量。圖3是直驅風電系統(tǒng)中三電平背靠背雙pwm變流器拓撲，與兩電平雙pwm變流器相比，功率器件和電 容增加了一倍，并額外增加了箝位二極管；直流側電容由兩個完全一樣的電容串聯組成， 電容的中點作為變換器的箝位點，由網側變換器保持直流側兩個電容的電壓均衡。這種結構在風電中的應用目前已經比較成熟，對其的研究很多，主要集中在控制 策略的優(yōu)化上口1-12。目前，世界范圍內從事大功率風力發(fā)電用變流器和高壓變頻器研制的 一些公司，都有多電平的產品方案；abb用于風力發(fā)電的變流器如acs1000，整流器采用1

11、2脈沖二極管整流，逆變器采用三電平npc結構，器件采用 igct ； siemens也有相似的應用，功率器件采用高壓igbt ;法國alstom公司采用 飛跨電容 型四電平拓撲，功率器件采用igbt，另外還基于igct開發(fā)出了飛跨電容型五電平變頻器。圖3三電平背靠背雙pwm變流器結構4國外直驅風電產品及應用直驅風力發(fā)電技術是近年發(fā)展起來的先進技術，技術已經比 較成熟，是未來風電技術的發(fā)展方向，目前國外生產直驅風電產品的幾大廠家有enercon、ge、abb、siem ens等。enercon公司直驅風電機組采用電勵磁同步發(fā)電機，直驅環(huán)形發(fā)電機，無齒輪箱，采用enercon變流器；其中e70額定

12、功率為2300kw,轉速范圍為621.5r/min, e82額定功率為2000kw,轉速范圍為619.5r/min。enercon風電機組當電網出現問題時,可以保持并網,如果需要，當故障出現時風電機組還能通過輸送無功功率，實 現支持電網 電壓的功能，在故障被修復、電網電壓已經恢復后，風電機組立刻恢復供電；文獻13提供了 enercon直驅同步電機系統(tǒng)一e66的仿真和測試結果，傳遞到 電網的短路 電流值只取決于變流器系統(tǒng)的功率等級并且可以控制，提供了電網短路期間系統(tǒng)輸出的有功 功率曲線；風電機組在故障期間提供減少的功率輸出，在故障消除后，立刻傳送額定功 率，剩余的發(fā)電機功率不能被傳送到電網側，由

13、于故障及隨之的電壓跌落，被轉化為附加電 阻上的熱能，因此，故障對發(fā)電機機械力矩的影響被降到最低。abb可以提供客戶定制的pmsg,功率范圍為5005000kva,極對數為460甚至更多，轉速 范圍02000r/min ,可以適用于陸上或海上風電，轉子永磁材料采用釹鐵硼（ndfeb）。abb 提供低速、中速與高速永磁同步電機，低速電機對應無齒輪箱直驅應用，結構簡單,可靠性 高,維護量最少；中速電機對應半直驅應用，集成了低速齒輪箱,尺寸較小，維護量較少；高 速電機類似于雙饋電機，具有較小的尺寸，但是沒有滑環(huán)，電機具有較少的維護量。multibrid m5000海上風電機組使用pmsg與全功率變流器

14、，額定輸出功率為5.5mva，電機轉速范圍為58.6146.9r/min，包含一級行 星齒輪，變速比為1:9.92，變流器具有四象限運行功能，輸出功率因數范圍-0.9至0.9,變 流器冷卻方式為水）令，變流器總效率97.5%；除此之外還有以下幾個特別的控制特 征：對電網故障的“穿越功能”，無功控制能力，網側的“statcom功能”，持續(xù)和動態(tài)電 壓控制；電機側變流器使用直接轉矩控制，具有快速控制、魯棒性、高可用性、高品質等 優(yōu)點。ge風電的低電壓穿越技術能使風電機組在主要的電網故障發(fā)生時保持并網并向電網輸送 無功功率，使風電機組能夠滿足和火力發(fā)電類似的傳輸可靠性標準。通過提高發(fā)電機組和 控制設

15、計，lvrt技術能使風電機組在出現嚴重電網擾動時可以不間斷運行；windvar技 術能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，在電網需要時快速向電網提供無功，減少電壓崩潰的危險，降低 電網解列的影響，lvrt和windvar功能可以較好地提高 風電機組運行的可靠性，確保風電 作為一個“好鄰居”加入電網。通用電氣是在低電壓穿越與無功支持方面研究較早的公 司，文 獻14中說明了一種風力渦輪發(fā)電機控制系統(tǒng)，包括在各個發(fā)電機附近相對較 快的電壓調整和在變電站處或風力發(fā)電的場級處相對較慢的整體無功功率調整，無功調 節(jié)通常以風電場接入點電壓水平為控制目標，利用風力發(fā)電機自身的無功能力達到控制電 壓的目的，單臺風力渦輪發(fā)電機需要

16、具備通過快速電壓控制調節(jié)自身輸出無功功率的功 能，但是多臺發(fā)電機均自行調節(jié)輸出無功功率，可能加劇電壓的波動，因此該專利中引入 了場級無功功率調節(jié)來協(xié)調多臺風力發(fā)電機的無功功率控制，獲得更好的風電場電壓控制 效果。從國外直驅風電產品及其應用來看，為適應新的電網規(guī)則對lvrt和無功支持的要 求，都已將這些功能集成到其產品中，可見低電壓穿越與無功支持已經成為大型風電機組 必須具備的重要功能之一。5國內直驅風電產品及應用 目前國內從事永磁直驅風電產品研發(fā)與生產的企業(yè)正在增 多，有新疆金風科技、湘電風能、合肥陽光、許繼集團、北京科諾偉業(yè)和沈陽工業(yè)大學風 能技術研究所等。國內直驅風電機組的技術來源主要有以

17、下幾類15: 引進國外的設計圖紙和技術，或者與國外技術公司聯合設計，在國內進行制造和生 產，如金風科技引進的1200kw、1500kw風電機組，目前已在國內批量生產和供貨； (2)購買國外成熟的風電技術，在國內進行許可生產； 與國外公司合資，引進國外的成熟技術在國內進行生產，如湘電風能等公司；(4)利用國內大學和研究機構自行設計的風電機組進行生產，如沈陽華創(chuàng)、北京科諾偉 業(yè)等公司。以下對國內公司直驅風電產品進行介紹與說明。新疆金風直驅風力發(fā)電機組采用直驅永磁同步發(fā)電機與igbt變流器，設計使用壽命20 年。其中，金風82/1500kw，額定轉速與轉速范圍為17.3(9-17.3)r/min，功

18、率因數調節(jié) 范圍為-0.98至0.98可調，額定出力的功率因數0.98，額定輸出電壓690v，輸出頻率變 化 范圍50 0.4hz ;金風77/1500kw，額定轉速與轉速范圍為17.3(9-19)r/min ，功率因 數調節(jié)范圍為-0.95至0.95可調；金 風70/1500kw，額定轉速與轉速范圍為19(9-19)r/min，額定出力的功率因數0.98 ;金風1200kw轉速范圍 為11-20r /min，額定出力的功率因數0.98 (可調節(jié)，可發(fā)無功)。湘電風能的直驅風電 機組采用永磁同步發(fā)電機(直驅-無齒輪箱)，具有效率高、系統(tǒng)可靠、維護簡單、噪聲小 及上網電源質量好等明顯優(yōu)勢。發(fā)電機

19、是多極永磁發(fā)電機，直接安裝在輪轂上，由永磁體 提供轉子勵磁，所以不需要外勵磁場，與帶外勵磁場的繞線轉子比較，發(fā)電機的損耗可降 低25% ；定子外部裝有冷卻風扇，由空氣冷卻；發(fā)電機通有經過濾的干燥循環(huán)空氣，保證了發(fā)電機內的溫度均勻，當密封處 稍有泄漏時，保證發(fā)電機的內部為正壓，因此灰塵和鹽霧不可能進入到發(fā)電機內。其中 z72/1500kw在額定功率時的轉速為18r/min，z72/2000kw在額定功率時的轉 速為 23r/min， z82/2000kw在額定功率時的轉速為19r/min。北京科諾偉業(yè)科技有限公司的變速恒頻風力發(fā)電機組變流器(直驅式)，采用先進的dsp 控制和大功率變流技術，實現

20、風電機組低轉速變速運行，最大程度地吸收風能，主要應用 于1mw 1.5mw 2.0mw直驅式變速恒頻風電機組；具有以下功能特點：大功率變流技術， 模塊化并聯技術，最大風能捕獲技術，零沖擊并網控制，無速度傳感器控制技術和光纖隔 離技術等。合肥陽光電源全功率風力發(fā)電機組用變流器采用薄膜電容作為直流支撐電容，確保電容器 20年壽命，具有四象限運行功能，確保風力機在低風速時多發(fā)電，模塊化設計，安裝 維護方便，變流器)令卻方式為風冷。其中wg850kfp，wg1500kfp和wg2000kfp，額定功 率分別為850kw, 1500kw和2000kw,額定功率下的效率97%響應時 間15ms電網電壓 690v (+10%-20%，電網頻率47.551.5hz。許繼集團的fbl200系列 風電機組變流器適 用于2mw及以下直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)，不僅適合于垂直軸風電機，而且也適用于水平軸風 電機系統(tǒng)，變流器令卻方式為強制風能或水冷。輸入交流線電壓有效