双馈异步和永磁同步风力发电机特性分析
2021-01-31
来源：意榕旅游网
专题——高效与节能专家分析双馈异步和永磁同步风力王建维女，硕士，毕业于西南交通大学牵引动力国家重点实验室，毕业后在中国北车集团济南轨道交通装备有限公司从事货车转向架设计工作，2008年7月转入北车风电有限公司从事风力发电机组设计，主要从事风力发电机组控制系统和在线状态监测系统方面的研究。摘要：本文分析了双馈异步和永磁同步风力发电机的工作原理，详细比较了两种发电机的优缺点，最后得出结论：短期内，DFIG仍将是主流机型，但随着国家对风机并网的要求越来越高，具有低电压穿越能力的永磁同步发电机将是未来风机发展的趋势。关键词：双馈异步发电机；永磁同步发电机； 变速恒频；低电压穿越1 概述在过去的20多年里，风力发电机组的单机容量不断扩大，特别是最近几年，大型机组得到迅速推广应用。技术的不断进步是机组单机容量得以不断扩大的基础。早期的风力发电机组全部是定桨距失速型风机。由于定桨距机组叶片的角度不能在风速变化时进行相应地调节，因此无法在低风速时获取最大的风能；在风速为额定风速时功率最大，当风速超过额定值后，发电功率又明显下降，故定桨距失速型风机的经济效益不甚理想，因此这种型的机组很难向大型化方向发展。目前该类型的产品均为小型机组，兆瓦级机组均不采用此类型的结构。随着技术的发展，风电机组发展到了变桨距系统。变桨距风2010年09月刊AUTOMATION PANORAMA发电机特性分析北车风电有限公司 王建维力发电机组的叶片角度可以进行调节，在不同的风速情况下，通过调节叶片的角度使攻角保持最佳状态，从而获得较大的转换效率。变桨距机组的额定风速较低，启动性能较好，而且在风速超过额定值时通过变桨系统可以有效地控制叶片的迎风角度，使得发电机有着较为平滑的功率曲线，大大提高了发电效率和发电质量。通过技术的不断提高和新材料的不断应用，叶片结构变得越来越简单、重量也越来越轻，易于机组的大型化，因此大型风电机组多采用变桨距技术。目前，风电技术已发展到了更先进的变速变桨距机型。变速变桨距风力发电机组同时应用了变桨技术和变速恒频技术，风轮转速可根据风速的变化进行调节，以便最大限度地吸收风的能量，提高转换效率。由于在发电机中采用了变速恒频技术，使发电机组在低风速情况下的出力水平大幅度提高，总体发电效率得到进一步提高。兆瓦级以上的机组大都是变速变桨距机型。发电机及其控制系统承担了将机械能转化为电能的任务，直接影响到转换过程的效能、效率和供电质量。而目前风力发电机主要采用两种类型：双馈异步发电机和永磁同步发电机。2 双馈异步发电机（DFIG）和永磁同步发电机（PMSG）结构分析2.1 DFIG工作原理双馈异步发电机在结构上与绕线式异步电动机类似，定转子三相对称，转子电流由滑环接入。风速的变化通过增速齿轮箱传递到发电机，为了保持定子电流频率的恒定，可以控制转子电流的频率，使得发电机的转子转速发生变化，这些工作可以由变频器来完成。当发电机转子高（低）于同步速时，应控制变频器能量流入（出）电网，这样就控制了电机定子向电网供应电能频率的稳定。其原理框图如图1所示。28 图1 双馈发电机原理图当风速变化引起发电机转速n变化时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定，即应满足：。式中：为定子电流频率，由于定子与电网相连，所以与电网频率相同；为转子机械频率，，p为电机的极对数；为转子电流频率。• n
n1时，处于超同步运行状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变流器的能量流向逆向；• n=n1时，处于同步状态，此时发电机作为同步电机运行，=0，励磁变流器向转子提供直流励磁。而n=pnm，当n发生变化时，即p发生变化，若控制转子供电频率做相应变化，可使保持恒定不变，与电网频率保持一致，实现变速恒频控制。2.2 PMSG工作原理永磁发电机系统是以永磁发电机和全功率变流器为核心的风力发电系统，风电机组通过全功率变频器和变压器与高压电网相联，变频器将风电机组输出的不停变化交流电压，首先变换成直流，再逆变成电压频率和幅值及相位与电网一致的交流电源电压。 图2 永磁同步发电机工作原理图该系统如图2所示，与笼型异步发电机变速恒频风力发电系统类似，只是所采用的发电机为永磁同步发电机。式中，—电网频率（Hz）；—发电机定子输出频率（Hz）； K—功率变换器频率变比。当转速变化时，发电机定子输出频率也跟随变化，通过功率变换器将定子发出的变频变压的电能转换为与电网频率幅值一致的稳定电能。3 DFIG和PMSG结构性能比较（如表1所示）4 DFIG和PMSG发电量比较按照现行变桨距风力发电机的最大功率捕获原理，风力发电机从切入风速（Cut-in wind speed）到额定风速（Rated wind speed）这一过程中，通过变桨技术可以实现风力发电机工况下的最优化，从实际风速分布统计情况来看，风力发电机运行最多的时段也基本上是集中在这一工况下，且这一工况下的出力为最多。从图3中可以看出，在额定风速以下时，永磁发电机比双馈异步发电机风能利用率明显高，根据芬兰公司The switch的计算，相同功率等级的风机采用永磁发电机比双馈异步发电机的年输出电能最高可以高出20%，从20年的风机使用寿命来看，这产生的经济效果是非常客观的（粗略统计20年多发的电产生经济效益在1000万人民币左右）。 图3 DFIG和PMSG发电量比较5 结论（1） 从结构分析来看，DFIG和PMSG在技术参数上各有优缺点，DFIG相比PMSG变流器容量小，易于安装和维护，成本低，发电机结构简单，重量和体积比同步发电机大大减小。但低电压穿越功能不强，需要在变流器中额外增加模块，现在DFIG的市场认可度较高，但由于其低电压穿越能力不好，所以，如果国家以后出台并网要求相关规定后，市场将倾向于同步风力发电机组。（2）就技术成熟度来讲，目前国内外DFIG技术成熟，国内大多数兆瓦级风机均采用该机型，而PMSG国内该方面的技术尚处于研发阶段，产业链不完善，基本要依赖进口。（3）就成本来讲，双馈式风力发电机组比同步风力发电机组要低一些，双馈式风机变流器（风机容量相同）比全功率变流器的成本价格低30%左右。（4）从发电质量和发电量来看，双馈式异步发电机发出的电能都是经变压器升压后直接与电网并联，加之在转速控制系统中采用了电力电子装置，会产生电力谐波，发电机在向电网输出2010年09月刊AUTOMATION PANORAMA29专题——高效与节能DFIG名称解释专家分析表1 DFIG和PMSG结构性能比较PMSG定子功率和转差功率可以分别向定子和转子馈入，也可从定转子上装有永磁体，定子电流频率与转速有严格的数学关系，故称子和转子输出，故称为双馈为永磁同步发电机结构上与普通绕线式异步电机相似。定子：与DFIG无本质区别，亦为三相对称交流绕组定子：三相对称交流绕组，通过变压器直接接入电网转子：无励磁绕组，在转子铁芯表面装有永磁体，无需励磁电源，转子：通过滑环、电刷接至频率、幅值、相位均可调的三相效率高，寿命长变频器进行交流励磁由电网通过双向变流器进行励磁，励磁可调尺寸和重量为中等水平造价低永磁体励磁，励磁不可调高速PMSG由于没有励磁电源，采用高性能的永磁材料，通过合理电机设计可以优化电机磁路，提高功率密度，所以其尺寸和重量与同等功率等级的发电机相比较小（参考值大约为20％～35％），但成本相应较高(主要是高性能永磁体造价很高)结构励磁尺寸重量变流器变流器位于转子侧以控制转差频率f2，实现变速情况下f1恒定子输出频率无法通过励磁调节，且随转速实时变化，所以为了实频。而转子侧电功率只有sP1（s为转差率），所以变流器容现恒频输出需要采用全功率变流器，容量大、成本高量小、成本低DFIG励磁可调量有3个：励磁电流的频率：保证变速时定子电流恒频PMSG励磁不可调，决定了发电机输出端的功率因数无法控制，只幅值、相位：调节DFIG的有功功率和无功功率，改善电网质能通过变流器控制输出到电网端的电能量由变流器控制电压匹配、同步和相位控制，并网迅速，基本无电流冲击；发电机转速可随时根据风速进行调整，是机组运行于最佳叶尖速比；变流器位于转子励磁回路中，容量小、成本低，可灵活调节发电机的有功功率和无功功率DFIG定子侧与电网通过变压器直接相连，转子侧与电网间有双向变流器进行励磁调节，故只能对发电机组实施部分调节。当电网电压突然跌落瞬间，定子磁链不能跟随定子端电压突变从而产生直流分量，由于积分量减小，定子磁链不发生变化，而转子继续旋转，会产生较大的滑差，从而引起转子绕组的过压、过流。如果电网为不对称故障的话，因为定子中出现负序分量导致更大的滑差，会使转子过压过流现象更严重。过流会损坏变流器，过压会使绕组绝缘被击穿，所以对于DFIG必须采用LVRT技术采用全功率变流装置，基本无电流冲击；采用AC-DC-AC方式，发电机频率与电网频率彼此独立，避免了同步电机的失步问题；频率变换装置虽可以调节功率因数，但会有高频电流流入电网无功调节并网特点低电压穿越的分析由于采用了全功率变流器，发电机与电网之间是隔离的，故电网电压的跌落不会直接作用在发电机的定子上，不会直接影响发电机的运行。故PMSG不需要LVRT技术维护DFIG转子侧有电刷、滑环，以对励磁电流进行调节，一般半PMSG转子上无绕组、电刷、滑环，因此其维护性强于DFIG。年需要更换电刷，2年更换滑环。但由于永磁体在高温、振动等环境下存在失磁，在过流冲击下存在转子绕组也使得DFIG的可靠性比PMSG低。不可逆退磁等缺点会使得电机报废，这是其最主要的缺陷。电机维护成本高，频度高DFIG存在定子铁耗、铜耗及转子铁耗、铜耗变流器容量小，损耗小平均效率较高(参考值75%)PMSG无励磁损耗，只有定子铁耗和铜耗，变流器容量大，损耗相对较高平均效率高（参考值90%）效率谐波DFIG定子侧与电网通过变压器直接连接，且转子电流处于不全功率变流器采用SPWM（正弦波脉宽调制）技术可获得近似标准断变化之中，故DFIG定子输出电流谐波较大且难以控制的正弦波电压电流波形，谐波性能有很大改善有功功率的同时，还必须从电网吸收滞后的无功功率，使功率因数恶化，加重了电网的负担；而PMSG具备最大风能跟踪、定子侧功率因数和网侧功率因数调节功能以及有功、无功的解耦控制功能，由于并网电路将PMSG与电网分开，因此该电路具有隔离故障的能力，不会因电网故障损害PMSG，也不会因PMSG故障对电网产生负面影响。该电路还具备有功无功的存储能力，以保证在无风或少风情况下对电网起到稳定支撑作用。同时在同一工况条件下PMSG比DFIG发电量要高出很多。综上，双馈异步机型成本较低，在短期内它将是主流机型，具有很强的市场竞争力。但随着国家风电机组装机容量的快速增长，风电在整个电网所占比重不断加大，电力部门对风电并网的要求也会越来越高（华北电网已正式出台了相关标准），可以预见具备“低电压穿越功能”的全功率变流同步机型必将是今后风机技术的发展趋势。参考文献：[1] 叶杭冶. 风力发电机组的控制技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006.1.[2] 王秀和. 永磁电机[M]. 北京: 中国电力出版社, 2007.[3] 李滨波, 段向阳. 风力发电机原理及风力发电技术[J]. 湖北电力, 2007, 31（6）. 302010年09月刊AUTOMATION PANORAMA