直驱式风电并网变流器的控制与应用项目设计方案

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1、直驱式风电并网变流器的控制与应用项目设计方案1．课题研究的目的及意义在环境污染与能源危机的大背景下，风能作为无污染的新能源，已经成为世界研究的热门话题，其中又以变速恒频(variablespeedconstantfrequency，VSCF)风力发电技术为当前的研究热点。目前主流的变速恒频风电机组多采用有刷双馈交流励磁发电系统，该系统可实现有功和无功解耦控制、最佳风能捕获控制以及变速恒频发电运行。但由于系统中需采用齿轮箱连接风力机和发电机，且有刷双馈电机存在电刷和滑环，导致系统结构复杂，齿轮箱随着发电机组功率等级的升高，成本变的很高，且易出现故障，需要经常维护，可靠行差；当低负荷运行时，效率低

2、；同时齿轮箱也是风力发电系统产生噪声污染的一个主要因素，所以降低了系统发电效率和运行可靠性。永磁直驱风机(permanentmagnetsynchronousgenerator，PMSG)风力发电系统就是在这种情况下出现的，应用于风力发电的永磁同步发电机采取特殊的设计方案，其较多的极对数使得在转子转速较低时，发电机仍然可以工作，直驱永磁同步风力发电系统当中使风轮机与永磁同步发电机转子直接耦合，省去齿轮箱，提高了效率，减少了发电机的维护工作，并且降低了噪音。另外直驱永磁风力发电系统不需要电励磁装置，具有重量轻、效率高、可靠性好的优点。随着电力电子技术和永磁材料的发展，在直驱永磁风力发电系统中，占

3、成本比例相对较高的开关器件（IGBT等）和永磁体，在其性能不断提高的同时，成本也正在不断下降，使得直驱永磁风力发电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。永磁直驱风机更能适应低风速，对于我国具有更加重要的意义，我国低风速的三类风区占到全部风能资源的50%左右，更适合使用永磁直驱式风电机组。35目前，通用变频器技术成熟，价格便宜，为中小型直驱发电机的普及提供方便；性能优良的大功率电力电子器件的不断涌现，促进了大型直驱发电机的研究和应用，同时，伴随着直驱式风电系统的出现，全功率变流技术得到了发展和应用；应用全功率变流的并网技术，使风轮和发电机的调速范围扩展到0～150%的额定

4、转速，提高了风能的利用范围。直驱式永磁风力发电机代替传统风力发电机是风力发电发展的趋势，因此它具有广阔的发展和应用前景，国外形容其为风力发电的一场革命。直驱风力发电系统中，变流器是发电机所发的电能馈送至电网的唯一通路，它是将发电机发出的变压变频的电能转换成恒压恒频的电能的装置，它能实现对发电机输出的电流、功率因数等的快速调节，减少对电网的谐波污染，是直驱型风力发电系统的一个重点和难点，它对于整个系统的稳定、高效运行很重要，掌握这项技术，对于推动我国风力发电事业的发展，增强风力发电领域的自主创新能力，具有十分重要的意义。2.直驱永磁风力发电机控制系统的发展历史，国内外研究现状及发展趋势直驱永磁式

5、电机起源于1995年，当时美国纽约州的一家研究机构设计出了一种新型可变磁阻发电机，它用风力发动机中的磁性装置取代了机械齿轮箱。该设计的特点在于，可变磁阻电机的极结构能够承受各个方向操作而不需要支付箱齿轮箱那样的费用。在2000年，加拿大M.eng.M.Dubois博士提出将风力发电机中的齿轮箱置于电机和转子之间会对部分工作负载的效率产生负面影响，而且较易受损耗，若使用一个和风力机转速相同的电机就可以免去齿轮箱，并对直驱式低速旋转电机应用于风力发电机的一些问题进行了研究。但直到1997年，市场上才开始出现兼具无齿轮、变速变桨距等特征的风力机，容量约在330kW~2MW，并且多由德国于1992年开

6、始制造。在2000年，瑞典ABB公司成功研制了3MW的巨型可变速风力发电机组，它包括了永磁式转子结构的高压风力发电机Windformer，容量为3MW、高约70m、风扇直径约90m。在2003年，Okinawa电力公司开始运行由日本三菱重工首度完全自行制造的2MW级风机MWT-S2000型风力机，该风机采用了小尺寸的变速无齿轮永磁同步电机和新型轻质的叶片。由此可见，直驱式无齿轮风力发电机始于2035多年前，却在近几年又重新引起研究人员的极大兴趣，并将该技术积极应用于产品推向风力发电市场，德国、美国、丹麦都是在该技术领域中发展较为领先的国家。其中德国西门子公司开发的直驱式无齿轮同步发电机被用在世

7、界最大的挪威风力发电场，据称效率达98%[1]。作为一个新兴能源行业，风电业在我国起步并不算晚，但由于诸多原因，国内的风力发电机研究进展并不快。在1996年我国制订“乘风计划”，旨在鼓励提高中大型风力发电机制造技术和国产化率，2001年国家863计划能源技术领域后续能源技术主题“兆瓦级风力发电机组及其关键部件研制”课题开始实施。2007年11月，中国资源综合利用协会可再生能源专委会、国际环保组织绿