直驱永磁同步风力发电机系统研究

中图分类号:TM315　　　　　　文献标志码:A　　　　　　文章编号:100126848(2008)0620053204

直驱永磁同步风力发电机系统研究

邓秋玲,谢秋月,黄守道,姚建刚

(湖南大学电气与信息工程学院,长沙　410082)

摘　要:对直驱永磁同步风力发电机系统的发电特性进行了理论分析。在整流器和逆变器之间加入一个DC2DCBoost斩波器,解决PWM逆变器因输入电压很低时运行特性差的缺点。通过改变Boost升压斩波器的占空比可将逆变器直流母线电压提高并稳定在合适的范围内,改善逆变器的调制深度范围,提高运行效率。通过对网侧电流的跟踪闭环控制,实现单位功率因数传送能量。实验结果证明了系统的可行性和正确性。

关键词:永磁同步发电机;风力发电;直驱;PWM逆变器ResearchonDirectlyDrivenPermanentMagnetSynchronousGeneratorsSystem

DENGQiu2ling,XIEQiu2yue,HUANGShou2dao,YAOJian2gang

(HunanUniversity,Changsha410082,China)

Abstract:Thetheoreticalanalysisofcharacteristicsofpowergenerationindirectlydrivenpermanentmagnetsynchronousgeneratorsystemisdiscussed.Addingaboostchopperbetweentherectifierandin2vertermayrelievethedrawbackoflowperformancecharacteristicwhiletheinputvoltageofinverterisverylow.ChangingthedutyofboostchoppercanenhancetheDCbusvoltageandkeepthevoltageinsuitableextentimprovingthemodulatingdepthofinverterandincreasingperformanceefficiency.current.

Experimentresultshaveverifiedthefeasibilityandcorrectionoftheproposedsystem.

Thein2

vertercantransfertheelectricenergytothegridasunitypowerfactorbytheclosed2loopcontrolofoutputKeyWords:Permanentmagnetsynchronousgenerator;Windpowergeneration;Directlydriven;PWMinverter

0　引　言

国外的大型发电机组已经或即将商品化。到2003年底,全世界风轮机总装机容量已经达到391234GW,到2012年将超过110GW

[1]

年里,由于永磁材料性能和电力电子装置的改善,永磁同步发电机已变得越来越具吸引力了。永磁同步发电机系统不需要励磁装置,具有重量轻、效率高、功率因数高、可靠性好等优点。因为转子上取消了励磁绕组,磁极结构简单,可以做成多极电机,同步转速降低,使风轮机和永磁发电机可直接耦合,省去了风力发电系统中的齿轮增速箱,减小了发电机的维护工作并降低噪声,使直驱永磁风力发电机系统从众多变速恒频风力发电系统中脱颖而出,具有很好的发展前景。

PMSG输出的交流电由不可控整流后,由电容滤波,再经逆变器将能量送给电网。当风速较低时,直流电压会很低,过低的直流电压将引起电压源逆变器无法完成有源逆变过程,进而无法将功率馈入电网。为了最大限度地利用风能,使直驱永磁发电机系统工作在一个较宽风速范围内,必须引入DC2DCBoost升压斩波电路。本文对采用升压斩波电路永磁同步风力发电机系统的发电特性进

・53・

[223]

。目前,

风力发电机组有恒速恒频和变速恒频两种类型。恒速恒频风力发电机组无法有效地利用不同风速时的风能,而变速恒频风力发电机组可以在很大的风速范围内运行,更有效地利用风能。在变速恒频发电机组中,技术比较成熟的是双馈风力发电机组,但是低风速下的风轮机转速也很低,直接用风轮机带动双馈电机转子将满足不了双馈发电机对转子转速的要求,必须通过升速齿轮箱后再和双馈发电机相连。然而风力发电机的齿轮箱价格昂贵、容易振荡,存在噪声,容易疲劳,需要经常润滑和维护,成本相当高。在过去的几十

收稿日期:　　

2008201228

微电机

行了理论分析,搭建了基于DSPTMS320C2812的IGBT相应的实验室硬件平台。实验结果表明直流

2008年第41卷第6期

是叶尖速比λ的函数,λ是风轮叶尖速度和风速的比值。

λ=R

ωw

vw

电压波形比较平稳,逆变器输出电流是稳定的正弦波,输出电流与电压相位相反,因而能实现单位功率因数传送电能。

(2)

1　风力发电系统构成

系统基本原理如图1所示。它由风轮机、永磁同步发电机、三相二极管整流电路、Boost升压斩波电路和电压源逆变器电路组成。使用三相永磁励磁同步发电机可以获得高效运行。用三相二极管整流电路将PMSG发出的交流功率整流成直流功率,整流后的直流功率通过Boost斩波电路升压稳压后,然后通过一个高功率因数的逆变器送入交流电网中。111　风轮机

式中,R为叶片的半径;ωw为风轮轴的角速度。

当λ为最佳值λ=λopt时,功率系数Cp变为最大。不管风速如何变化,叶尖速比λ控制为最佳值λ=λopt,可以从风能中获得最大的机械功率。

2)最大风能捕捉原理

图2是一组在不同风速下风力机的输出特性。

Pout曲线是各风速下最大输出功率点的连线,即最

佳功率曲线。从中可看出一个风速下不同转速会使风力机输出不同的功率。要想追踪Pout曲线,即最大限度地获得风能,就必须在风速变化时及时调节风轮机的转速(在直驱永磁风力发电系统中,即为发电机的转速),保持最佳叶尖速比。额定风速以下风力机按优化桨距角定桨距运行,由变频器控制系统来控制转速,调节风力机叶尖速比,从而实现最佳功率曲线跟踪和最大风能的捕捉。额定风速以上风力机变桨距运行,由风力机控制系统通过调节桨距角来改变功率系数,使发电机输出额定功率不变,防止风电机组超出转速极限和功率极限运行而可能造成的事故。

风轮机是吸收风能并将其转换成机械能的部件。风以一定的速度和攻角作用在桨叶上,使桨叶产生旋转而转动,将风能转变成机械能,进而驱动风力发电机。多年来风轮大都采用三桨叶与轮毂刚性联接的结构,即所谓定桨距风轮。桨叶尖部115m～215m部分一般设计成可控的叶尖扰流器。当风力

发电机组需要脱网停机时,叶尖扰流器可按控制指令释放并旋转90°形成阻尼板,使风轮转速迅速下降。近几年来,开始采用变距风轮,桨叶与轮毂不再采用刚性联接,而通过可转动的推力轴承或专门为变距机构设计的回转支撑联接。这种风轮可根据风速的变化调整气流对叶片的攻角,当风速超过额定风速后,输出功率可稳定地保持在额定功率上,特别是大风情况下,风轮机处于顺桨状态,使桨叶和整机的受力状况大为改善

[4]

图2　不同风速下功率曲线及其最佳功率曲线图

。112　永磁同步发电机和二极管整流电路

永磁同步发电机可产生与旋转速度成正比的电枢电势,可以表示为:

E=Keωg

(3)

式中,E为电枢电势;Ke为取决于结构方式及永

磁体材质的电枢电势系数;ωg为发电机角速度。

图1　直驱永磁同步发电机示意图

1)风轮机特性

定义发电机的线电流为Ig,发电机的端电压为

Vg用下式表示:

・

V

g

来自风轮机的机械输入功率Pm由下式给出:

Pm=ρAvwCp(λ,β)

=E-RaI

・・

g

-jXsI

・

g

(4)

12

3

(1)

式中,Ra为绕组电阻;Xs为同步电抗。

同步发电机的一相等值电路如图3。如图4所示,发电机和整流器整相连,从交流端看过去,整流电路每相的电阻值定义为Rg,线电压最大值定义为VLLpeak,直流电压的平均值Vdc1如下式:

式中,ρ为空气密度;A为叶片描过的面积;vw为风速;Cp为风轮功率系数;β为桨距角。

当叶片的桨距角为常数,风轮功率系数Cp只・54・

直驱永磁同步风力发电机系统研究　邓秋玲,等

Vdc1=

3ππ

V

∫6

π-6

LLpeak

θθ=cosd

3π

VLLpeak

(5)

式中,α=tonton+toff

(9)

因此,Vdc1与线电压VLL及相电压Vg的关系如下:

Vdc1=Vdc2与相电压Vg的关系如下:

Vdc2=32π

VLL=

36π

Vg

(6)

361×Vπ1-αg

(10)

通过改变Boost升压斩波器的占空比α可将逆变器直流母线电压提高并稳定在合适的范围内,改善逆变器的调制深度范围,提高运行效率。114　逆变器控制方案

采用Boost升压后的直流输出与逆变器输入相连,输出端通过滤波电感L后并入电网。对于风力发电并网逆变器系统,网侧逆变器的设计需要同时满足两个要求:①相电流要接近正弦,相电流与相电压同相,使功率因数等于1,以减小输送到电网的谐波含量;②调节直流侧电压,以控制电机输出的电流,控制电机的转速。因此,电网侧

113　升压斩波电路1)DC2DCboost升压电路引入的必要性

逆变器采用IGBT构成的四象限变流器。为保证逆变器工作在有源逆变状态时不对电网造成谐波污・・染,输出相电压Us、回馈电网的电流矢量IN与・

电网电压矢量UN之间应满足图6所示矢量关系。・・

当电网电压UN一定时,若控制Us沿ab线调节,・

则从矢量图中可以看到电压电压矢量jINωL滞后电网电压矢量90°,电流矢量滞后电感电压矢量90°,即滞后电网电压矢量UN180°,功率因数为-1,从而实现的电能回馈无污染。同时,沿ab线

由于发电机在不同的转速下有不同的输出电压,整流桥为不可控桥,因此,若整流桥直接和逆变器相连,则逆变器侧的输入电压一直在变化。PWM可以通过改变调制比来实现并网电压的频率

幅值恒定。当风速较低时,PWM输入电压很低,为了并网必须提高逆变器的调制深度,这会导致逆变器运行效率低,开关利用率低,峰值电流高,传导损耗大,虽然可以采用SPWM调制方法或谐波注入技术来提高直流母线电压利用率,但这种方法只能有限地改善系统性能,不能解决实质问题。本文所介绍的系统是在整流器和逆变器之间加入一个DC2DCBoost升压环节,电路图如图5所示。假定等值电路的电容和电感足够大,开关装置的电流用电感来平稳,输出电压用电容来稳定。

能量储存在电感Ldc中,当开关SW在ton内导通,能量被转移到电容Cdk,当开关在toff期间断开,可获得下面的方程:

Vdc1ton=Vdc2toff

・

・・

调节Us,也可以改变电感电压矢量jINωL的幅值,进而改变回馈电网的电流,直流侧电流也相应改变,达到控制发电机的输出电流,调速发电机转速的目的。

(7)

图6　电压电流的矢量关系

为达到以上目的的逆变器控制系统如图7所

图5　Boot斩波电路

示。逆变器输出电压幅值基本与电网电压幅值相等,所以根据风力发电系统的容量设定输出电流幅值,即为逆变器输出电流峰值指令Ism,反向后

与同步信号(单位幅值正弦波)相乘即得网侧电流

・55・

3

它用占空比表示为:

Vdc2=tontoff

Vdc1=1Vdc1

1-α

(8)

微电机

指令信号ia,b,c,ia,b,c和网侧电流ia,b,c相比较后经过一补偿环节与三角波相比较产生PWM控制信号控制逆变器,目的是让ia,b,c跟踪ia,b,c,就达到了网侧电流跟踪网侧电压的目的。

3

3

3

2008年第41卷第6期

极管整流的直流电压源串联可调电阻给直流电动机电枢绕组供电,用以模拟风轮机的特性。为了便于实验,在实验室搭建了基于DSPTMS320C2812的IGBT相应的实验室硬件平台。逆变器容量为3kW,电网相电压有效值为220V。为了逆变得到220V交流电,逆变器输入电压应为380V左右,

逆变器输入电压由Boost升压斩波器进行升压和稳压,开关频率为20kHz,输出电流峰值指令为Ism=215A,滤波电感为10mH。

3

图8(a)为直流电压和a相电流波形。图8(b)为a相电压与电流波形图。图8(c)为输出电流的

图7　逆变器控制系统图

频谱图。实验结果表明直流电压波形比较平稳,逆变器输出电流是稳定的正弦波,且与电压相位相反,因而实现了单位功率因数传送电能,逆变器输出电流频率基本是50Hz,谐波含量达到了并网要求。

2　实　验

实验系统如图1所示。使用一台3kW它励直流电动机来拖动2kW的永磁同步发电机。采用二

图8　试验结果

3　结　语

引入Boost斩波电路后,可将逆变器直流母线电压提高并稳定在合适的范围内,改善逆变器的调制深度范围,提高运行效率。PWM逆变器控制系统结构简单,而且能够实现单位功率因数输出,减小输出电流对电网谐波的污染。

[4]　叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出

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[5]　荆龙,汪至中,于冰.四象限变流器在变速恒频风力发电系

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参考文献

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IEEE.c.2007:126.

[2]　闫耀民,范瑜,汪至中.永磁同步电机风力发电系统的自动

作者简介:邓秋玲(1966-),女,副教授,在读博士研究生,研究方向为风力发电技术。

黄守道(1962-),男,教授,博士生导师,研究方向为特种电机及其控制、风力发电技术。

姚建刚(1952-),男,教授,博士生导师,研究方向为电力市场及其技术支持系统,电力系统自动化。

寻优[J].电工技术学报,2004,17(6):82286.

[3]　吴迪,张建文.变速直驱永磁风力发电机控制系统的研究

[J].大电机技术,2006(6):51255.

勘　误

本刊2008年第4期《基于SVM的永磁同步电动机直接转矩控制实验研究》一文,作者何师、邱阿瑞、

袁新枚,第6页中公式(1)永磁体磁链与定子磁链应为叉乘,文中误为点积。

本刊2006年第7期《基于TM320LF2407A的电动助力车控制系统设计》一文,作者单位浙江大学电气学院应更正为蚌埠汽车管理学院。・56・

特此更正!