包廣清¹，施進(jìn)浩²，江建中³

（1蘭州理工大學(xué)，陜西蘭州730050；2中國電子科技集團(tuán)公司第21研究所，上海200233；3．上海大學(xué)，上海200072）

    摘要：采用無齒輪箱的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已成為大功率風(fēng)電機(jī)組的主導(dǎo)技術(shù)之一。傳統(tǒng)風(fēng)電系統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)裝置不僅降低了風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率，產(chǎn)生噪聲污染，更成為發(fā)生機(jī)械故障的主要原因之一，同時(shí)為減少機(jī)械磨損，還需要潤滑清洗等定期維護(hù)。直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組雖然增加了電機(jī)的設(shè)計(jì)成本，但卻有效提高了系統(tǒng)效率及運(yùn)行可靠性。在對大功率直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)及其功率控制進(jìn)行對比、分析的基礎(chǔ)上，指出今后的發(fā)展方向。

  關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；永磁同步發(fā)電機(jī)；功率變換器；變速恒頻

  中圖分類號. TM341；TM315  文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A  文章編號：1004 -7018（2008）9 -0052 -04

0引  言

     隨著人類社會的發(fā)展，能源與環(huán)境問題已成為全球可持續(xù)發(fā)展所面臨的主要問題，風(fēng)力發(fā)電以其無污染和可再生性，日益受到世界各國的重視，并保持增長最快的能源地位。近年來，風(fēng)電技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。單機(jī)容量不斷提高，兆瓦級風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)商品化；風(fēng)力機(jī)的變槳距功率調(diào)節(jié)取代了走槳距調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)的變速恒頻運(yùn)行取代了傳統(tǒng)的恒速恒頻運(yùn)行，系統(tǒng)效率進(jìn)一步提高；實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場的實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程測控及計(jì)算機(jī)群控，提高了分布或并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。

    在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程中，發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)具有十分關(guān)鍵的作用，它不僅直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能、效率和供電質(zhì)量，而且也影響到風(fēng)能吸收裝置的運(yùn)行方式、效率和結(jié)構(gòu)。因此，研究適合于風(fēng)電轉(zhuǎn)換的運(yùn)行可靠、效率高、控制簡單及供電性能良好的發(fā)電系統(tǒng)具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。目前，風(fēng)電機(jī)組朝著高可靠性、低維護(hù)量、少組件、低成本、高集成度方向發(fā)展，傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組中齒輪箱的存在成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的重要因素之一。上世紀(jì)末，許多歐洲國家開展了無齒輪箱的直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組研究，其市場份額迅速擴(kuò)大，德國在2004年安裝的風(fēng)電機(jī)組中就有百分之40.9采用了無齒輪箱系統(tǒng)。直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)通過將風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接耦合，機(jī)組性能得到改善：

    (1)由于省去了齒輪箱，沒有傳動(dòng)磨損和漏油所造成的機(jī)械故障，減少了機(jī)組維護(hù)，降低了噪聲污染，提高了機(jī)組的可靠性和使用壽命。

    (2)取消了齒輪箱傳動(dòng)軸，機(jī)組水平方向長度大大縮短，增加機(jī)組穩(wěn)定性。

    (3)直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)屯系統(tǒng)不需要電勵(lì)磁裝置，提高了發(fā)電效率，具有重量輕、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。

    本文從發(fā)電機(jī)的性能、設(shè)計(jì)、可控性及功率控制等方面，對不同類型的多極永磁同步電動(dòng)機(jī)在直驅(qū)式風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行分析比較，并介紹了相關(guān)的發(fā)電控制技術(shù)�？梢韵嘈�，隨著電力半導(dǎo)體器件和鐵磁材料的發(fā)展，在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，占成本比例相對較高的功率變換器和發(fā)電機(jī)，其性價(jià)比不斷提高，這種省去齒輪箱的直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)將成為今后大功率風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展方向。

    圖1是以永磁發(fā)電機(jī)和全功率變換器為核心的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)洹Ｓ捎诓捎糜来朋w勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)不必從電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)側(cè)變流器得到無功功率；中間直流環(huán)節(jié)的存在，發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)沒有無功能量交換；根據(jù)風(fēng)能變化，通過變速恒頻控制優(yōu)化系統(tǒng)輸出功率；網(wǎng)側(cè)變流器可以改善功率因數(shù)，并在一定范圍調(diào)節(jié)輸出電壓。

 

    根據(jù)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的不同，直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)有內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型兩種拓?fù)洌簝?nèi)轉(zhuǎn)子型是一種常規(guī)發(fā)電機(jī)形式，風(fēng)力機(jī)和永磁體內(nèi)轉(zhuǎn)子同軸安裝：這種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)定子繞組和鐵心通風(fēng)散熱好，溫度低，定子外形尺寸小；外轉(zhuǎn)子型是風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的永磁體外轉(zhuǎn)予直接耦合，定子電樞安裝在靜止軸上。這種結(jié)構(gòu)易于永磁體安裝固定，缺點(diǎn)是對電樞鐵心和繞組通風(fēng)冷卻不利，永磁體轉(zhuǎn)子直徑大，不易密封防護(hù)。

    根據(jù)發(fā)電機(jī)中主磁通方向的不同，可以把發(fā)電機(jī)分成徑向磁通電機(jī)、軸向磁通電機(jī)和橫向磁通電機(jī)三大類。

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