永磁风力发电系统及其功率变换技术 李庆

发表时间:2018/5/8   来源:《电力设备》2017年第36期   作者:李庆
[导读] 摘要:风力资源的有效开发利用,为人们的生产生活提供了更加环保、便利的动力基础。

        (中闽(福清)风电有限公司泽岐风电场  福建福清  350300)
        摘要:风力资源的有效开发利用,为人们的生产生活提供了更加环保、便利的动力基础。风能发电作为现阶段供电企业提供电力的重要生产方式,对社会经济的整体发展有着十分重要的影响。电机是风力发电的基础环节,对风力系统的有效运转提供了有力的保障。
        关键词:永磁电机;风力发电系统;应用;发展
        一、提高永磁风力发电系统可靠性措施
        1、选择技术、质量过硬的的系统元件,预防故障产生。在系统建立初期,选择合适的系统元件时,一定要选择质量合格的元件,以确保不会因元件质量问题对系统产生不必要的影响。并在建立完系统后对系统进行测试,尽早的排除可能会出现的故障,这些都是预防故障产生的基本手段。
        2、周期性对系统元件进行保养维护,减小故障产生机率。系统元件在发电系统的正常运行以后,存在一定的机械磨损,因此在对系统进行检测时,除诊断系统故障之外,通过对系统元件进行功能的检测,如果发现系统元件磨损过多,造成元件功能下降时,可对元件进行保养维护,或对其进行更换,避免因元件的问题造成系统的瘫痪。
        3、要保证系统的故障容错能力,确保系统在出现问题时,有可用的元件进行代替。要做到这一点,可以重点对以下几个方面进行重点对待:
        (1)对系统分区,当一个部分的系统出现问题故障时,另一部分不受其影响,可以正常工作,等问题区域重新恢复正常时,可不必再重新启动系统。
        (2)要及时的检测到系统故障。故障出现的时候,因为有元件的代替,所以有时候很可能很快就恢复正常,这就要求在出现故障时要及时发现并更换代替元件,使系统有更高的可靠性。
        4、对于已经出现的系统故障,在替换系统元件时,要保证只需要更换简单的系统元件就可使系统重新工作,并不需要把整个系统重新换掉,也就是说,系统中要有独立存在的运行能力。
        二、永磁电机在风力发电系统中的应用
        1、风力发电系统的类型及特点分析
        从发电机结构来看,风力发电系统包括四种类型,即低速直驱永磁电机风力发电系统、中速半直驱永磁风机风力发电系统、高速永磁电机风力发电系统、高速双馈电机风力发电系统。四种不同类型发电机系统的特点表现为:
        1.1低速直驱永磁电机风力发电系统
        低速直驱永磁电机风力发电系统所示,兆瓦级直驱永磁风力发电机具有绕组匝数多、频率低、极数多、直径大、转速低等特点,因此中速永磁电机和高速永磁电机的设计特点存在差异,其中低速永磁电机的体积较大,材料用量较大,尤其是永磁材料的用量较大,其价格昂贵,会增加成本。
        因此,基于成本考虑,低速直驱永磁电机风力发电系统应该考虑以下几个方面:①电机结构设计,应该采用横向磁通结构、轴向磁通结构以及径向磁通结构三种;②冷却方式设计,通常在定子机壳外增加散热筋,能够进行自然风冷;③电磁负荷设计,应该严格控制定子绕组电流密度,不能过高,防止绕组匝数过多增加电能损耗。
        1.2中速半直驱永磁电机风力发电系统
        中速半直驱永磁电机风力发电系统所示,该种类型风力发电系统的设计相对灵活,设计难点包括发电机额定转速、运行速度范围两个方面,通常状况下,中速半直驱永磁电机风力发电系统采用以及或者二级增速机构。
        1.3高速永磁电机风力发电系统
        高速永磁电机风力发电系统,如图1所示,该种类型风力发电系统的优点表现为:降低电机重量与体积,有效提高电机功率密度;降低转子铁耗与铜耗,既能够提高电机运行效率,又能够节约成本;取消电刷、集电环,提高了电机运行的安全性和稳定性。例如,某企业生产的1.5MW高速永磁风力发电机,电机重量为5t,尺寸为2500×1700×1800(mm),而同功率的双馈风力发电机重量为6t,尺寸为3150×1600×1850(mm)。


         图1高速永磁电机风力发电系统
        1.4高速双馈电机风力发电系统
        高速双馈电机风力发电系统,如图2所示,该种类型风力发电系统定子绕组电压频率受电网频率影响,只有确定额定转速,才能够确定电机的极数。在额定转速下,高速永磁电机风力发电机的电流频率较高,所需功率较小,并且成本较低。但是,转子损耗较高,会产生大量的热量,在设计时需要重点考虑。


        图2高速双馈电机风力发电系统
        2、不同类型风力发电系统的性能比较分析
        2.1成本对比分析
        不同结构永磁风力发电系统的结构不同,其制造成本也存在一定差异。但是受原材料、加工费、市场物价等众多因素的影响,不同结构永磁风力发电系统成本难以准确的对比,通常从以下几个方面进行对比:发电机是风力发电系统的重要组成部分,在系统总成本中占据非常大的比例,以某2MW直驱永磁风力发电系统为例,发电机成本占总成本的25%、风力机成本为29%、电控/变流器成本占15%、驱动链的成本为12%、变压器成本占2%;高速永磁电机风力发电系统的总成本比低速直驱永磁电机风力发电系统低34%。
        2.2运行可靠性对比分析
        由于无变速箱、无集电环电刷,四种不同结构的永磁电机风力发电系统的运行可靠性由高至低依次为:低速直驱永磁电机风力发电系统、中速半直驱永磁电机风力发电系统、高速永磁电机风力发电系统、高速双馈电机风力发电系统。
        2.3发电量对比分析
        以2MW发电机为例,四种不同结构永磁电机风力发电系统平均发电量由高至低依次为:中速半直驱永磁发电机风力发电系统(104.4%)、低速直驱永磁发电机风力发电系统(103.0%)、高速永磁电机风力发电系统(101.7%);高速双馈电机风力发电系统(100%)。
        三、永磁风力发电系统功率变换器拓扑结构与运行控制
        1、Back-to-Back两电平变换器
        Back-to-Back两电平变换器如图3所示。

        图3Back-to-Back两电平变换器拓扑结构
        该拓扑结构由发电机侧变换器、直流母线以网侧变换器构成,技术较为成熟、应用较为广泛。由于具有中间的直流环节,发电机与电网间的能量交换得到缓冲,且发电机侧变换器与网侧变换器可实现解耦,拓扑结构相对简单,可控的功率器件较少,易于数字实现。但对于大容量及超大容量永磁风力发电系统,其大量的直流侧电容会导致系统的体积、重量增大,不利于功率变换器的高度集成化。由于直流侧仅有两种电平,因此发电机侧变换器的交流端需加装电抗器,以避免发电机绕组上产生过电压。网侧变换器的交流端则需加装滤波器,以避免对电网的谐波电流污染。此外,该变换器的拓扑结构不易于灵活地拓展,因此其容量直接受功率器件容量的制约,难以满足系统向更大容量方向发展的要求。
        2、具有Boost斩波的两电平变换器
        基于Boost斩波的不控整流型变换器拓扑结构如图4所示。


        图4基于Boost斩波的不控整流型变换器拓扑结构
        此类拓扑结构中发电机侧连接二极管整流桥,决定了通过整个变换器的能量只能由发电机至电网单向流动,因此这种拓扑结构常见于永磁风力发电系统。与Back-to-Back形式的PWM变换器相比,发电机侧变换器的拓扑结构得到了简化,省去了多个功率开关器件及其驱动电路,提高了系统的可靠性,降低了功率器件的开关损耗和系统成本。仅通过Boost斩波器中唯一的功率器件即可实现最大功率点跟踪和功率因数校正,且发电机的控制不需要采用矢量控制策略,因此发电机侧变换器的调制算法得到了极大地简化,易于数字实现。采用Boost斩波的功率变换器不但适合小容量风力发电系统,而且Boost斩波电路可通过串并联技术增大其容量,能较好地适应大容量风力发电系统的要求。目前采用Boost斩波电路的功率变换器已经应用于2MW的永磁风力发电系统中。
        Boost斩波电路中电感电流纹波较高,该电流纹波通过整流桥直接影响永磁发电机的定子电流,进而导致发电机的转矩波动。为降低这一电流纹波,通常选取感值较大的升压电感,因此必然会增加变换器的体积和重量。Boost斩波电路工作于电流连续模式时,电感电流与输出电压纹波最低,然而实际设计中并不能通过无限增大升压电感保证其工作于该模式,因此通过Boost斩波电路控制发电机的运行范围受到限制。此外,输出端电压纹波对Boost斩波电路控制稳定性也会造成不利影响。
        结束语
        永磁电机相较于传统的电机,具有高效能、高运转、高安全性等特点,为此现阶段,已经被广泛地应用于风能发电系统中来。然而,由于永磁电机的生产、加工过程中需要大量的稀土材料,其生产成本较高,无法在风能发电领域得到大范围的普及。在此基础之上对永磁电机进行合理的应用,维护其使用质量,延长电机的使用寿命,是电力产业快速发展的重中之重。相关技术领域应针对永磁电机的运行特点,加强对电机结构、冷却、增速、功率变换等方面的功能研发,为供电产业快速、绿色、健康的发展提供技术层面的支持。
        参考文献
        [1]王宏海.基于永磁同步电机的直驱型风力发电系统控制策略的研究[D].燕山大学,2013.
        [2]席云,李啸骢,鹿建成,等.直驱永磁风力发电系统非线性控制策略[J].电气开关,2015,53(3).

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