毕业论文（设计）直驱永磁风力发电系统概述

1、直驱永磁风力发电系统概述摘要：在直驱永磁发电系统屮，风速影响输出电压的幅值和频率，不能直接并网。本文概 述了一种控制方法，通过对逆变器的控制实现输出电压対电网电压的跟踪，达到并网要求;基于最大风能追踪控制原理，通过对变频器的调节控制改变风机转速，实现风力机最佳效率 运行。本文也简单讨论了风能的应用范围、经济性及未来发展前景。关键词：风力发电；直驱永磁发电机；最大风能捕获；风能的应用和发展0引言可再牛能源的开发和利用从七十年代开始进入飞速发展时期。一是上世纪七 十年代的石油危机后，经济和能源压力迫使人们寻找关于能源的新的解决途径, 二是近十几年来基于化石燃料的传统能源体系引发的环境问题愈发严重，

2、寻找新 能源不仅关乎经济和能源需求，更关系着未來人类社会的前进方向。如煤炭、石 油、天然气等传统能源之所以能较早被作为能源广泛使用，一方面是储量相对丰 富，更重要的原因是能源使用过程中输出稳定可靠，且较容易由一种能量形式（如 热）转化成另一种能量形式（如电）而进行广泛传输。而如今的新能源面临的最 大问题就是能量的转化难、不可控、不稳定，因此新能源利用的关键之一就是采 用更加精准的控制手段，提升能量利用效率。本文试以较为常见的风能发电为例, 简单阐述新能源应用中控制系统的作用。1风力发电机控制系统目前存在的风力发屯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吋的

3、风能，而变速恒频风力发电机组可以在很 大的风速范围内工作，更有效地利用风能，其中应用比较广泛的技术之一是直驱 永磁风力发电系统。根据最大风能追踪控制原理，当风力机浆叶不变时，对于一个特定的风速v, 风力机只有运行在一个特定的转速3 h1下才会有最高的风能转换效率，要想追踪 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n （在直驱永 磁风力发电系统中，即为发电机的转速），这就是变速恒频发电技术的主要思想。通过变速恒频发电技术，理论上可以使风力发电机组在输岀功率低于额定 功率z前，输出最佳功率，效率最高。在达到额定功率以后保持额定功率不变。 如图1所示。图1变速恒频风力发电系统功率曲

4、线最大功率输出工作方式：额定风速以下风力机按优化桨距角定浆距运行，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的追 踪和最大风能的捕获。恒功率输出工作方式：在额定风速以上风力机变浆距运行，由风力机控制系 统通过调节节距角來改变风能系数，从而控制风电机组的转速和功率，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。肓驱永磁风力发电系统示意图如图2所示。变桨距风轮机育接耦合永磁同步 发电机的转子，发电机输岀由不可控整流后，由电容滤波，再经逆变器将能量馈 送给电网。由于采用不可控整流,所以恒压恒频输出的任务完全通过逆变器完成。 同时，当风速低于额定风速时，还必须通

5、过控制逆变器來控制发电机转速，使叶 尖速比保持在最优值。氷磁同步亠风轮篡电汇 整流模块逆变模块电网图2直驱永磁同步发电系统示意图 如果可以根据最大功率曲线确定逆变器输出的电网电压和电流曲线，调节逆变器输岀电压、电流，跟踪这一理想电压电流曲线，不但能使发电机最大限度 地获得风能，同时述可以抑制电网电压波动，减少注入电网电流谐波。考虑到需要并入的电网电压已知，逆变器输出电压的频率、幅值和相位跟踪 电网电压（或者当考虑变压器和电网的电感吋，逆变器输出电压和电网电压存在 一定的向量关系），无论何种情况，对于已知的电网电压，都可以得到需要逆变 器丈现的输岀电压每相的波形。在并网前，当风速和电机速度不断变

6、化时，此时逆变器并不以获得最大风能 为控制口标，而是希望逆变器输出各相电压跟踪电网各相电压为控制冃标进行工 作。并网后，设定逆变器输出电压跟踪电网电压，此吋逆变器应该以获得最人风 能为控制目标进行工作。由于永磁同步发电机输出电压有效值近似正比于发电机的转速，因而经过不 可控整流后，直流电压值和转速也近似成止比，因此当风速较低时，直流电压会 很低；然而风力发电系统对逆变器的输出电压幅值是有一定要求的，这样过低的 育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。 同时如果没有dc-dc电路升压，也会使系统消耗较高的无功功率，引起电网电 压波动。dc-dc控制板"直

7、流电动机控制板dcdc boost测速p滇块ipmvpwmkmqdspad调理电路图3直驱永磁风力发电实验系统2风能应用范围如今对风能最主要的应用手段是风力发电技术。风电场投资巨大，且发电 量与电厂位置及风力发电机组位置的选取密切相关，因此风电场选址对于风电场 的建设至关重要。对风电场的宏观选址包括了对气象条件（风能资源）、并网条 件、经济条件、地理条件、地形条件、环境影响等方而的综合考察，微观选址则 在宏观选址的基础上确定最有利用价值的一块小区域，确定如何布置风力机，使 整个风电场具有较好的经济效益。3风能的经济性讨论优点：风能设施日趋进步，大量降低生产成本，是再生能源中相当具有经济竞争力

8、及发展潜力的；在许多情况下，风力发电成本已经足以与传统发电相比，甚 至在一些地方（如美国中西部），风力己经比燃煤发电便宜很多。风能设施多为立体化设施，在适当地点使用适当机器，对陆地和生态的破坏 较低。风力发电是可再生能源，空气污染及碳排放很少，其他环境成本也低。风力发电可以是分散式发电，没有大型发电设施过于集中的风险。风力发电机随吋可以卸载，增加电网稳定性。缺点：风力发电在生态上的问题是可能干扰鸟类。目前其屮一个解决方案是海上离 岸发电，离岸发电成本较高但效率也高；另一个解决方案则是小型垂直风力 发电，这种风力发电可以架设在自家屋顶及后院。在部分地区，风力发电的经济性不足，许多地区的风力为间歇

9、性，更糟糕的 情况是如台湾等地于电力需求较高的夏季及白日却是风力较少的时段。这必 须要等待储能系统的发展。大型风力发电需要大量土地兴建风力发电场，才可以牛产比较多的能源。进行风力发电时，中大型风力发电机会发出庞大的噪音，所以设立地点必须 远离住家，或使用小型低噪音机种。4风力发电发展趋势展望如今的风电行业，使用最多的发电机组是双馈发电机，而本文介绍的直驱永 磁发电机的份额也在迎头赶上，未来何种技术将占据上风目前尚无定论，两种技 术之争实际就是效率和成本之争。永磁发电机依靠全功率变流器传动系统进行能量传递，省去了齿轮箱，可靠 性和可利用率更高，并且供电质量相对较高，但电机制造难度大，结构复杂，成

10、 本高，永磁材料较为脆弱且不具有现场维护性，这些都制约了永磁发电机的发展。 发展的突破在于探索新的电机制造工艺，简化电机结构，同时寻找新材料，以加 强永磁材料的性能。双馈发电机通过齿轮箱进行速度调节，技术更加成熟稳定，且齿轮箱故障率 经过90年代后的发展已经非常低，通过齿轮箱的缓冲可以保护发电机受到的來白 风轮的冲击载荷，u需要的变频器容量更小，产生的谐波也更小。但齿轮箱会发 出较大噪声，且需要定期维护和更换，双馈发电机在低风速情况下的效率较低, 这些都是双馈发电机的不足之处。此项技术发展多年已较为成熟，今后实现突破 性发展的空间较小，可以对工艺及控制系统进行进一步优化。5参考文献1 camacho e f, samad t, garcia-sanz m, et al. control for renewable energy and smart gridsj. the impactof control technology, control systems society, 2011: 69882