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直驱型风力发电系统概述

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来源: 作者: 2018-10-28 12:16:46

直驱型风力发电系统概述

导读:

随着永磁材料价格的下降、永磁同步电机性能的提高以及风电机组单机容量的不断增大,永磁直驱风电系统在性能、可靠性和低电压穿越方面逐渐具有一定的优势,对其所涉及技术的研究在掌握永磁直驱风电系统自主知识产权、产业化方面具有非常重要的意义。

1 引 言  随着风电机组单机容量的增大,双馈型风电系统中齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出,于是没有齿轮箱而将主轴与低速多极同步发电机直接连接的直驱式布局应运而生;从中长期来看,直驱型和半直驱型传动系统将逐步在大型风电机组中占有更大比例,另外在传动系统中采用集成化设计和紧凑型结构是未来大型风电机组的发展趋势。在大功率变流技术和高性能永磁材料日益发展完善的背景下,大型风电机组越来越多地采用pmsg,pmsg不从电吸收无功功率,无需励磁绕组和直流电源,也不需要滑环碳刷,结构简单且技术可靠性高,对电运行影响小。pmsg与全功率变流器结合可以显著改善电能质量,减轻对低压电的冲击,保障风电并后的电可靠性和安全性,与双馈型机组(变流器容量通常为1/3风电机组额定功率)相比,全功率变流器更容易实现低电压穿越等功能,更容易满足电对风电并日益严格的要求。  中国风电行业发展迅速,但与国际发展水平还有很大差距,目前主要依靠进口,对外依赖性强;基于pmsg和背靠背双pwm变流器的直驱型风电系统是一种发展很快的技术,具有优良的性能,国外大型风电厂商已有成熟的直驱风电产品,国内在理论研究与产品性能方面,都还亟需提高与改进,因此很有必要对其涉及的关键技术进行研究。2 直接驱动型风力发电系统介绍  图1是典型的永磁直驱型变速恒频风力发电系统,包括永磁同步发电机(pmsg)和全功率背靠背双pwm变流器,无齿轮箱。pmsg通过全功率变流器直接与电连接,通常极对数较多,低转速,大转矩,径向尺寸较大,轴向尺寸较小,呈圆环状;由于省去了齿轮箱,从而简化了传动链,提高了系统效率,降低了机械噪声,减小了维修量,提高了机组的寿命和运行可靠性;发电机通过变流器与电隔离,因此其应对电故障的能力更强,与dfig风电系统相比,更容易实现低电压穿越功能。但是永磁材料目前的成本仍然较高;变流器容量较大,损耗较大,变流器的成本较高。理论上永磁体在高温时存在失磁的风险,但是近年来随着永磁材料性能的不断提高、价格的下降,pmsg+全功率变流器已经成为一种很有吸引力和应用前景的方案[]。目前,zephyros,mitsubishi,新疆金风等在市场上有这类产品。  针对图1的pmsg直驱型风电系统,还可以采用电励磁同步发电机(electrically excited synchronous generator,eesc),通常在转子侧进行直流励磁。使用eesc相比使用pmsg的优势在于,转子励磁电流可控,可以控制磁链在不同功率段获得最小损耗;而且不需要使用成本较高的永磁材料,也避免了永磁体失磁的风险,enercon公司主要经营这类产品。但是eesc需要为励磁绕组提供空间,会使电机尺寸更大,转子绕组直流励磁需要滑环和电刷。pmsg由于不是标准产品,在尺寸及结构上有很大的灵活性,根据磁通分布可以分为以下几类:径向磁通永磁电机(radial flux pm machine,rfpm)、轴向磁通(axial flux pm machine,afpm)和横向磁通(transversal flux pm machine,tfpm),其中rfpm结构简单稳固,功率密度更高,在大功率直驱型风电系统中得到了较多应用。  目前市场上已有的直驱型风力发电系统产品,根据发电机类型、额定功率和转速以及厂家的不同,可以汇总得到表1。  表2给出了几个厂家直驱风力发电机的比较,包括风力发电机类型、转子速度、转矩、直径、总质量、质量转矩比等。

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