永磁风力发电系统及其功率变换技术

苏克武

苏克武

（新疆天电三塘湖风力发电有限责任公司新疆乌鲁木齐830000）

摘要：风能作为一种高效清洁的可再生能源备受关注。作为风力发电领域中主要机型之一，永磁风力发电系统的综合优势较为突出，使其成为风力发电技术发展的重要方向之一。本文主要介绍了永磁风力发电系统的特点、运行特性、结构以及如何进行功率变换。

关键词：永磁、风力发电系统、功率变换技术

一、前言

随着能源安全问题日益突出，世界各国对风能这一绿色、可再生能源的开发与利用极为关注。在各国政府政策与财政的扶持下，风力发电及其相关技术的革新极为迅速，发电机作为风力发电系统中的核心设备之一，其性能的不断提高，在一定程度上影响着风力发电技术的发展方向。永磁风力发电系统中，发电机定子通过全功率变换器与电网相连，发电机与电网间形成隔离，使得两者间相互影响较小。低速永磁风力发电系统一般采用直驱式结构，提高了系统的效率和运行可靠性。

二、永磁风力发电系统技术特点及运行特性

1、永磁风力发电机

永磁风力发电机的电磁结构具有形式多样的特点，其电磁结构的设计与选取与发电机性能及应用场合息息相关。通常根据主磁通方向的不同，永磁风力发电机可以分为常规磁通结构、轴向磁通结构和横向磁通结构三类。

（1）常规磁通结构

常规磁通结构的永磁风力发电机中，主磁通沿径向由永磁体经气隙进入定子铁心。根据永磁体在转子上的位置分布，常规磁通永磁风力发电机分为表面式和内置式两种结构。

（2）轴向磁通结构

轴向磁通永磁风力发电机中，根据定、转子数目及其相对位置，轴向磁通永磁风力发电机大致可分为单定子一单转子、单定子一双转子、双定子一单转子以及多定子一多转子四种结构。

（3）横向磁通结构

横向磁通永磁风力发电机中，磁力线所在平面与转子旋转方向垂直。根据永磁体在转子上的位置分布，横向磁通永磁风力发电机分为表面式和聚磁式两种结构。

2、永磁风力发电系统驱动结构及特点

（1）直驱式结构

对于单机容量相对较小的永磁风力发电系统一般多选用极对数较多的低速永磁同步发电机，风机与发电机之间通常采用直驱式结构。

目前国内生产的永磁风力发电系统多采用直驱式结构，最大单机容量达5MW。该结构决定了系统具有较高的风能转换效率以及较好的低风速区运行性能；由于省去齿轮箱，降低设备维护频率，提高了系统可靠性。但低速永磁同步发电机的极数多、体积大、永磁体用料多、运输与安装困难，使得此类发电机制造、运输及安装成本相对较高；此外，风机导致的各种冲击载荷全部由发电机承受，从而加大了永磁风力发电机的设计与优化难度。

（2）半直驱式结构

随着永磁风力发电系统单机容量的不断攀升，若仍采用直驱式结构，将导致发电机极数过多、体积过大，因此可选用极对数较少的中高速永磁同步发电机，风机与发电机之间采用单级或多级齿轮箱增速的半直驱结构。

目前Gamesa生产的永磁风力发电系统多采用2级增速齿轮箱，Vestas生产的3MW以上永磁风力发电系统更是采用了4级增速齿轮箱。半直驱式永磁风力发电系统采用低增速比齿轮结构，可提高发电机的额定转速、减少发电机极数，从而减小发电机体积与重量、降低成本，同时有利于机组的运输与安装。在某种意义上，半直驱式永磁风力发电系统是对双馈风力发电系统与直驱式永磁风力发电系统优点与不足的一种权衡与优化，符合风电系统向大容量发展的趋势。

3、永磁风力发电系统运行特性

永磁风力发电系统将风能转换为机械能进而转换为电能的过程主要是由风机、永磁同步发电机、功率变换器及控制系统实现的。

风机作为永磁风力发电系统的关键部件之一，直接影响着系统的性能和效率。根据风机的结构及其在气流中位置的不同，主要分为水平轴和垂直轴两种形式。

三、永磁风力发电系统功率变换技术

永磁风力发电系统中采用全功率变换器，而适用于该场合的变换器拓扑结构较多，针对不同变换器拓扑结构的控制也不尽相同。通过控制此类变换器可以实现发电机转速调节、转矩调节以及发电机与电网间的柔性连接等。以下分别简要介绍几种不同的永磁风力发电功率变换器典型拓扑结构及其控制特点。

1、Back-to-Back两电平变换器

该拓扑结构由发电机侧变换器、直流母线以及网侧变换器构成，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祸，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

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。

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。

3、多电平变换器

随着风电系统容量与日俱增，大容量、多电平技术已经渗透到风力发电领域，并成为风电系统功率变换器的发展趋势。目前主要的多电平变换器拓扑类型包括：二极管钳位型多电平变换器、飞跨电容钳位型多电平变换器以及H桥级联型多电平变换器。由二极管钳位型拓扑和飞跨电容钳位型拓扑分别构成的Back-to-Back双向多电平变换器几乎适用于所有类型的风力发电系统。

4、矩阵变换器

矩阵变换器是一种交-交变换器，其继承了交-交变换器、Back-to-BackPWM变换器等特点，可四象限运行、能量可双向流动的优点，几乎可满足所有类型风力发电系统的基本要求；同时，矩阵变换器弥补了传统的交-交变换器输出频率范围窄、功率因数低的缺点；与交-直-交变换器相比，省去了大量直流电容，有利于功率变换器的集成化；矩阵变换器通过改变拓扑结构，可实现M相-N相的形式，理论上适合用于多相发电机与多相电网间的接口。

四、结语

永磁风力发电技术的进步是多个科研领域共同发展的结果，这种多学科的交叉将会呈现出愈加紧密的态势，这些相关学科领域的快速发展必将为永磁风力发电系统的进一步推广与应用提供重要的技术保证。此外，巨型风力发电系统已成为风力发电领域，特别是海上风力发电领域的必然趋势，作为最适合这一发展趋势的风力发电系统之一，永磁风力发电系统必将具有广阔的发展前景。

参考文献

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