混合励磁风力发电机专题调研报告

题目：5kW垂直轴混合励磁风力发电机设计目录1风力发电 31.1全球风电发展现状 31.2中国风电发展情况 41.3风电场投资成本 52风力发电机 62.1风力机工作原理 62.2风力发电机组和风力发电机 62.3风力发电机分类 72.3.1恒速风力发电机 72.3.2有限变速风力发电机 72.3.3变速风力发电机 82.4根据旋转轴分类 93混合励磁同步电机 103.1混合励磁电机 103.2混合励磁同步电机工作原理 103.3混合励磁同步电机的特点 103.4混合励磁同步电机的发展方向 11参考文献 111风力发电1.1全球风电发展现状2009年，虽然金融危机引起的全球经济秩序的动荡仍在持续，但风电行业发展势头迅猛.。全球年度市场增长率达41%，行业市场格局基本没有发生实质性的改变.美国,欧盟和亚洲仍处于全球风电发展的主要领导地位,明显的变化是中国超越美国成为2009年新增装机容量全球第1的国家。根据全球风能理事会CWEC统计报告显示，截止2009年全球风电装机容量累计已达1.58亿KW，增长率累计达31.9%，产出总值为450亿欧元，从业人数约50万，该产业已经成为世界能源市场的重要组成部分。到2009年底全球已有100多个国家涉足风电领域。目前17国累计装机容量超过百万kW，2009年累计装机容量排名前10位和新增装机前10位的国家如图1和图2所示1.2中国风电发展情况中国的风力发电是于20世纪50年代后期开始进行研究和试点工作的，当时在吉林、辽宁、新疆等省、区建设了容量在10kw以下的小型风力发电场，但其后就处于停滞状态。到了20世纪70年代中期以后，在世界能源危机的影响下，特别是在农村、牧区、海岛等地方对电力迫切需求的推动下，中国的一些地区和部门对风力发电的研究、试点和推广应用又给予了重视与支持，但在这一阶段，其风电设备都是独立运行的。直到1986年，在山东荣城建成了中国第一座并网运行的风电场后，从此并网运行的风电场建设进入了探索和示范阶段，但其特点是规模和单机容量均较小。到1990年已建成4座并网型风电场，总装机容量为4.215mw，其最大单机容量为200kw。在此基础上，风力发电从1991年起开始步入了逐步推广阶段，到1995年，全国共建成了5座并网型风电场，装机总容量为36.1mw，最大单机容量为500kw。1996年后，风力发电进入了扩大建设规模的阶段，其特点是风电场规模和装机容量均较大，最大单机容量为1300kw。从1996～2002年末，中国风电装机总容量已达470mw。根据2004—2006年第3次风能资源普查结果显示中国陆地、海上10m以上高度的风能可开发量为7亿~12亿KW，但随着风机高度的逐步提高，由过去的几十米达到如今的百米以上这一数据发生了很大的变化。2007年中国气象局实施了中国风能资源详查与评价工程。并于2010年首次公布了中国风能资源研究的重要成果：中国海、陆距地50m以上的高度，风速达3级以上风力资源的潜在可开发量约为25亿kW。在风电五大国中,中国风电资源与美国接近，远远高于印度、德国和西班牙。中国风电产业发展势头强劲，其近年累计及新增装机容量如图3所示。2009年中国风电新增装机容量1380万kW，居全球第1；中国风电累计装机容量2580万kW，仅次于美国的3506万kW。风电机组装备与制造能力居全球第1。全球每新安装3台机组，就有1台在中国。2020年的风电累计装机可达2.3kW亿，相当于13个三峡水电站的规模。年总发电量约2.3kW亿。风电总装机容量占15%左右可取代200个火电厂，减少CO2排放量4.1t/a亿，节约标准煤近1.5t/a亿。届时风电将成为中国主要能源来源之一在节约资源，在改善生态环境促进社会经济和谐可持续发展中将做出巨大贡献。1.3风电场投资成本风电场投资成本(单位千瓦造价)是衡量风电场建设经济性的主要因素，归纳起来有以下三个方面：①风电机组的制造成本，由于风电机组是风电场的主要设备，因此风电机组的制造成本将直接关系到风电场的总投资。但随着风电机组制造技术的不断提高和机组性能的不断改进，其单机容量的不断扩大，这将使风电机组单位千瓦的造价会明显下降，因此也随之使风电场的造价下降。②风电场的规模，亦即风电场的装机容量。一般说来，风电场的规模越大，其造价越低，这就是所谓规模效应。这种规模效应将使风电场单位千瓦的配套设施相对地下降，如与电网配套设施的建设费用等。③风电场选址，这也直接关系到风电场的经济效益。风电场选址、风电机组定位都选得适当，那么风电场就可以多发电量，风电场的经济性就好，若风电场选在交通便利的地方，运输成本就可下降等，这些也将使风电场的建设成本下降。从中国目前风电场单位千瓦的造价看，其总趋势在不断地下降之中，例如，20世纪90年代中期，中国风电场的单位千瓦造价，还高达10000多元/kw，但到了21世纪初，单位kw的造价已降到8000多元/kw，这说明中国风电事业在近12年中，有了长足的进步，也为今后的大发展打下了基础。当然中国的风电场建设成本比起发达国家来，还有一定的差距，不过随着中国风电机组制造水平的不断提高和风电场建设经验的不断积累，其造价将进一步地下降。2风力发电机2.1风力机工作原理风力发电机的基本工作原理比较简单,风轮在风力的作用下旋转,将风的动能转变为风轮轴的机械能,风轮轴带动发电机旋转发电。其中风能转化装置称为风力机。风力机的核心部件为叶轮的设计,随着空气动力学的飞速发展,叶轮设计已经取得了巨大的进步。一般叶轮设计成翼形,风轮从自然界获得的能量有限,理论上风力机获得最大效率约为0.593,其功率损失部分可解释为留在尾流中的旋转动能。现代风轮设计一般采用新翼形设计,除按照传统要求在尖部采用薄翼型以满足高升阻力、根部采用厚翼型满足机械强度外,新翼形和传统的航空翼形有较大差别:一般在叶轮尖部采用较低的最大升力系数,并减少尖部叶片弦长,以控制转子尖部的负荷。而在中部采用较高的升力系数,并增加叶片弦长,以达到中等风速时的最佳风轮性能。这样的设计可使风轮年平均的能量输出大大增加。2.2风力发电机组和风力发电机风力发电系统是将风能转换为电能的机械、电气及共控制设备的组合,一般的风力发电机组主要由叶轮、传动系统、发电机、调向机构及控制系统等几大部分组成。风力发电机组是实现由风能到电能转换的关键设备。由于风能是随机性的,风力的大小时刻变化,必须根据风力大小及电能需要的变化及时通过控制装置来实现对风力发电机组的启动、调节转速、电压、频率、停机、故障保护超速、振动、过负荷等以及对电能用户所接负荷的接通、调整及断开等操作。由于控制十分复杂,现在普遍采用微机控制。2.3风力发电机分类根据风力发电机的运行特征,风力发电机可分为恒速风力发电机、有限变速风力发电机和变速风力发电机。2.3.1恒速风力发电机恒速风力发电机系统如图4所示,采用了笼型异步发电机,发电机通过变压器直接接入电网.因为笼型异步发电机只能工作在额定转速之上很窄的范围内,所以通常称之为恒速风力发电机.并网运行时,异步发电机需要从电网吸收滞后的无功功率以产生旋转磁场,这恶化了电网的功率因数,易使电网无功容量不足,影响电压的稳定性.。为此，一般在发电机组和电网之间配备适当容量的并联补偿电容器组以补偿无功。由于笼型异步发电机系统结构简单、成本低且可靠性高,比较适合风力发电这种特殊场合,在风力发电发展的初期,笼型异步发电机得到了广泛的应用,有效地促进了风电产业的兴起.随着风力发电应用的深入,恒速笼型异步发电机具有的一些固有缺点逐步显现出来,主要是笼型异步发电机转速只能在额定转速之上1%~5%内运行,输入的风功率不能过大或过小,若发电机超过转速上限,将进入不稳定运行区.因此,在多数场合需将2台分别为高速和低速的笼型异步发电机组合使用,以充分利用中低风速的风能资源.另外,风速的波动使风力机的气动转矩随之波动,因为发电机转速不变,风力机和发电机之间的轴承、齿轮箱将会承受巨大的机械摩擦和疲劳应力.而且,由于风力机的速度不能调节,不能从空气中捕获最大风能,效率较低.齿轮箱的存在增加了风力机的重量和系统的维护性,影响了系统效率,增加了噪声.图4笼型恒速发电机系统2.3.2有限变速风力发电机有限变速风力发电机系统如图5所示,发电机采用绕线式异步发电机.绕线式异步发电机转子外接可变电阻,其工作原理是通过电力电子装置调整转子回路的电阻,从而调节发电机的转差率,使发电机的转差率可增大至10%,实现有限变速运行,提高输出功率.同时,采用变桨距调节及转子电流控制,以提高动态性能,维持输出功率稳定,减小阵风对电网的扰动.然而,由于外接电阻消耗了大量能量,电机效率降低了.有些文献也把这种发电系统称为高转差率异步发电机系统.图5绕线式有限变速发电机系统2.3.3变速风力发电机1有刷双馈异步发电机由双馈异步发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的,如图6所示.流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率,该转差功率仅为定子额定功率的一小部分.一般来说,转差率为同步速附近30%左右,因此,与转子绕组相连的励磁变换器的容量也仅为发电机容量的30%左右,这大大降低了变换器的体积和重量.采用双馈发电方式,突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念,使原动机转速不受发电机输出频率限制,而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响,变机电系统之间的刚性连接为柔性连接.相对于绕线式发电机,双馈发电机的转子能量没有被消耗掉,而是可以通过变换器在发电机转子与电网之间双向流通.变换器可以提供无功补偿,平滑并网电流.正是DFIG具有上述优点,目前大多数大可变速风力发电系统都采用这种方式，但其控制系统也相对复杂。双馈发电机系统具有的缺点:存在多级齿轮箱及滑环、电刷,不可避免地带来摩擦损耗,增大了维护量及噪声等;在电网故障瞬间,骤然变大的定子和转子电流要求变换器增加保护措施,增大了软硬件投入,而且大的故障电流增加了风力机的扭转负荷。图6双馈式变速恒频风力发电机系统2电励磁同步发电机电励磁同步发电机变速恒频直驱风力发电系统如图7所示,电压源型逆变器的直流侧提供电机转子绕组的励磁电流,发电机发出的是电压和频率都在变化的交流电,经整流逆变后变成恒压恒频的电能输入电网.通过调节逆变装置的控制信号可以改变系统输出的有功功率和无功功率,实时满足电网的功率需要.在变速恒频直驱风力发电机组中,整流逆变装置的容量需要与发电机容量相等。采取直驱方式,发电机运行在低速状态,其电磁转矩相对较大,同时发电机极对数较多,意味着发电机的体积也较大.但由于省去了齿轮箱,系统的效率和可靠性都得到了提高.变换器为全功率变换器,在整个调速范围能使并网电流平滑,具有噪声低、电网电压闪变小及功率因数高等优点.该系统主要缺点是系统成本较高,功率变换器损耗较大。图7电励磁同步发电机变速恒频直驱风力发电系统3永磁同步发电机永磁同步发电机变速恒频直驱风力发电系统结构如图7所示,它采用的电机是永磁发电机,无需外加励磁装置,减少了励磁损耗;同时它无需电刷与滑环,因此具有效率高、寿命长、免维护等优点.在定子侧采用全功率变换器,实现变速恒频控制.系统省去了齿轮箱,这样可大大减小系统运行噪声,提高效率和可靠性,降低维护成本.所以,尽管直接驱动会使永磁发电机的转速很低,导致发电机体积很大,成本较高,但其运行维护成本却得到了降低.采用直接驱动永磁发电机具有传动系统简单、效率高以及控制鲁棒性好等优点,因此具有越来越大的吸引力.目前已有多家公司可以提供商业化的多极永磁风力发电机系统,如Enercon,WinWind等公司.该系统的主要缺点是永磁材料价格较高,且在高温下易被去磁,功率变换器容量与发电机容量相同,变换器成本较高。图8永磁同步发电机变速恒频直驱风力发电系统2.4根据旋转轴分类根据风力发电机旋转轴的区别，风力发电机可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。水平轴风力发电机：旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行，旋转轴处于水平的风力发电机。垂直轴风力发电机：旋转轴与叶片平行，一般与地面吹垂直，旋转轴处于垂直的风力发电机。3混合励磁同步电机3.1混合励磁电机混合励磁电机是将永磁励磁与电励磁两种励磁方式进行合理的有机结合，最大限度地综合两者优势又能克服各自缺陷的一种新型电机。混合励磁思想最早于1985年由美国人提出，也可称为组合励磁或双励磁是指电机内同时存在永磁励磁和电励磁磁势源由它们相互作用共同实现电磁能量转换是对单一励磁方式的有效拓宽与延伸。混合励磁电机有不同的分类方式根据电机原型和机理不同可以分为混合励磁同步电机和混合励磁双凸极电机两大类。前者是在同步电机原理基础上产生的，后者是以磁阻式双凸极电机为基础。3.2混合励磁同步电机工作原理混合励磁同步电机有两个磁势源,一是永磁体,它在气隙中产生一个基本不变的磁通,另一个是直流励磁绕组。工作时,通过调节励磁绕组上的电流大小和方向,使得气隙中的磁通发生变化。图9是英国学者1989年提出的一种混合励磁同步电机结构。定子电枢绕组为三相对称绕组,被定子环形直流励磁绕组分成两部分,定子两段铁心由其外的背轭在机械和电磁上相连接;转子也分成N极端和S极端两部分,每极端由同极性永磁体极和铁心极交错排列,且两端的N、S永磁体极和铁心极相互错开。转子铁心和转轴间为导磁性能好的转了背轭。工作时,若直流励磁电流为零,则气隙磁场只由永磁体产生,工作磁通从N极的永磁体发出,经气隙和定子铁心回到S极永磁体。电流方向相反时,则同一极端永磁体极和铁心磁场方向相同。对定子绕组而言,同一线圈下既有N极又有S极,从而使气隙有效磁场减弱。当励磁电流大到一定值时,气隙合成磁场变为零;若直流励磁电流电流方向相同时,则同一极端永磁极和铁心极磁场方向相反。对定子绕组而言,同一线圈下磁场极性相同,气隙合成磁场增强。因此,通过调节励磁电流的大小和方向,即可使得气隙磁通发生变化,达到调磁的目的。3.3混合励磁同步电机的特点同其他电机相比,HESM电机有如下特点:1电机中同时存在两个磁势源,两者的磁通路径相互耦合、相互影响,电磁参数关系复杂;2电机磁路中除传统电机的径向磁场外,多数还有轴向磁场;3设计的自由度大,励磁绕组可以放置在定子上,也可放置在转子上;也可根据需要变化转子结构;4励磁电流为双向变化的。正是具有如上的结构特点,HESM电机工作可靠稳定,气隙磁密调节方便,能够提供比电励磁同步电机大的转矩密度和功率密度,因而特别适合输出电压要求稳定、调速范围大、转矩大、功率大的场合。3.4混合