直驱式永磁同步风力发电系统的优化

直驱式风力发电系统的风力机与发电机转子直接耦合，省去了齿轮箱，直驱式永磁同步风力发电机组电控系统组成如图7-16所示。

同步发电机的转速和电网频率之间是刚性耦合，风速随机，那么变化的风速将给发电机输入变化的能量，不仅给风力机带来高负荷和冲击力，而且不能以优化方式运行。

直驱式并网运行风力发电系统采用了低速多极交流永磁发电机，因此在风力机与交流发电机之间不需要安装升速齿轮箱，成为无齿轮直接驱动系统。其优点在于由于不采用齿轮箱，机组水平轴向长度大大减小，电能生产的机械传动链被缩短，避免了因齿轮箱旋转而产生的损耗、噪声以及材料的磨损等问题，使机组的工作寿命更加有保障，降低维修费用，也更适合于环境保护的要求。直驱式永磁同步风力发电系统结构如图7-17所示。

图7-16　直驱风电机组电控系统组成

直驱式风力发电系统的风力机与发电机转子直接耦合，所以发电机的输出端电压、频率随风速的变化而变化。要实现风力机组并网，需要保证机组电压的幅值、频率、相位、相序与电网保持一致。如果在发电机和电网之间使用频率转换器，转速和电网频率之间的耦合问题将得以解决。变频器的使用，使风力发电机组可以在不同的速度下运行，并且使发电机内部的转矩得以控制，从而减轻传动系统应力。通过对变频器电流的控制，就可以控制发电机转矩，而控制电磁转距就可以控制风力机的转速，使之达到最佳运行状态。

图7-17　直驱式永磁同步风力发电系统结构图

采用永磁同步风力发电机，将发出的电压与频率随风速变化的交流电通过三相二极管整流桥整流为直流，大电感滤波后，获得的直流电压比较平稳，DC-DC变换升压电路，为逆变电路提供所需要的幅值恒定的直流电压，逆变电路逆变成与电网频率相同的恒频电能后并网。该系统采用全功率变频器，变频器的容量显著增加，尤其是对大容量的风力发电系统。因此，此种结构的风力发电机组之所以引起广泛的注意，主要是因为在整个系统中，可以省去风力机与发电机之间的传动机构。这样就大大降低了系统的成本，控制结构比较简单，提高了系统结构的硬性，从而增加了系统的可靠性。

带变频系统的同步发电机如图7-18所示，所使用的是凸极转子和笼型阻尼绕组同步发电机。变流器由一个三相二极管整流器，一个平波电抗器和一个三相晶闸管逆变器组成。

图7-18　带变频系统的同步电机图(www.xing528.com)

同步发电机和变频系统在风力发电机组中的应用已有实验样机的测试结果，系统在不同转速下运行情况良好。实验表明，通过控制电磁转矩和实现同步发电机的变速运行，并减缓在传动系统上的冲击是可以实现的。如果考虑变频器连接在定子上，同步发电机或许比感应发电机更适用些。感应发电机会产生滞后的功率因数且需要进行补偿，而同步发电机可以控制励磁来调节它的功率因数，使功率因数达到1。所以在相同的条件下，同步发电机的调速范围比异步发电机更宽。异步发电机要靠加大转差率才能提高转矩，而同步发电机只要加大功角就能增大转矩。因此，同步发电机比异步发电机对转矩扰动具有更强的承受能力，能作出更快的响应。国产1.5MW直驱永磁同步风力发电系统通过变流装置和变压器接入电网，其中变流系统主电路采用交流—直流—交流结构，将永磁同步风力发电机发出的能量通过变压器送入电网，变流系统的主电路图原理如图7-19所示。

图7-19　1.5 MW直驱永磁同步风电机组变流系统主电路原理图

变流装置通过六相不可控整流，有效减少或抑制了电机侧的谐波转矩脉动，同时对电机绕组基本没有du/dt的影响。另外，从图7-19可看出，变流装置主回路采用多重化并联技术，提高了系统容量（小容量功率器件可用在大容量系统中）、减少了输出电流谐波。中间斩波升压是三重斩波升压，起到了稳压和升压作用，适应了风机的最大风能捕获策略，即把变动的发电机输出电压，与整流回路一起最终稳定在DC-Link电压设定值附近，使DC-Link电压稳定在逆变环节所需的直流电压上。DC/AC变换部分采用两重逆变策略，通过采用先进的PWM脉宽调制技术，有效减少了输出谐波、提高了系统容量。通过控制上的优化，使电压闪变指标在国际技术标准允许范围之内。

直驱永磁同步风力发电系统变流装置是全功率变流装置，与各种电网的兼容性好，具有更宽范围内的无功功率调节能力和对电网电压的支撑能力。同时，变流装置先进的控制策略和特殊设计的制动单元使风机系统具有很好的低电压穿越能力（Low voltage ride through，简称LVRT），以适应电网故障状态，在一定时间内保持与电网的连接和不脱网。通过独到的信号采集技术、接口技术等提高了变流装置系统的电磁兼容性，如直流环节的均压接地措施有效减少了干扰。1.5MW直驱式永磁同步风力发电系统电控系统的组成及关系如图7-19所示。电控系统各部分之间的关系如图7-20所示。

图7-20　电控系统各部分关系图

变流系统采用了VERTECO变流系统，VERTECO控制系统实际的物理分布及通信连接如图7-21所示。VERTECO变流回路主要采用4个变频器和3个框架开关组成（一个在变流柜中作电网侧的主空气开关，另外两个在机舱内的接线柜中作发电机侧的空气开关），采用可控整流方式，即整流部分采用可控的IGBT整流（发电机侧的变频器作为整流器）。VERTECO变流单元采用水冷却的方式VERTECO变流器单元之间采用了光纤通信的交换数据，变频器和主控系统采用PROFIBUS总线的通信，除此以外变频器间又冗余了一条CAN BUS总线。VERTECO变流器的变频器采用并排安装的方式。

图7-21　VERTECO控制系统实际的物理分布及通信连接图