永磁風力發電系統及其功率變換技術

高原

（國家電投集團湖北新能源有限公司，湖北 武漢 430070）

我國總裝機容量已經超過了240000MW，成為了世界裝機容量的首位，在全球裝機容量中占26%以上的比例。在我國政府的支持下，我國技術人員加速了對風力發電相關技術的研究，將單機容量從kW級系統升級到MW級系統，也實現了恒速到變速的轉化。

1 永磁風力發電系統的研究

1.1 發電機系統結構

在永磁風力發電機系統中，電磁結構的選擇對發電機有著重要影響，根據磁通方向的不同，主要可以分為以下3種結構。

（1）常規磁通結構。在發電機中，常規磁通結構就是主磁通從永磁體進入到定子鐵心中。根據永磁體的不同位置，又可以分成表面結構和內置結構兩種。在徑向充磁形式上，永磁體各部分的強度矢量包含徑向分量，磁通密度的波形更加趨向于矩形波。在平行充磁形式上，磁化方向是和永磁體中心相平行，由此磁化強度矢量除了徑向分量，還包括切向分量，磁通的密度是趨向于正弦分布。內置結構又可以分成徑向、切向以及混合向3種，電機磁路不對稱，永磁體抗退磁的能力比較強大，適合用在轉速要求比較高的大型風電機組中。

（2）軸向磁通結構。由于轉子數量、定子數量及其位置的不同，軸向磁通結構又可以分成單定單轉、單定雙轉、雙定單轉以及多定多轉這4種結構。在單定單轉的結構中，定轉子之間存在比較強大的單邊磁拉力，避免轉子軸向竄動，但是需要增加推力軸承，加工過程比較復雜。單定雙轉結構中，定子鐵心使用無齒槽的形式，鐵心上粘結繞組，形成了環形繞組，這樣能改善上一種結構的單邊磁拉力，但也增加了鐵心和永磁材料，使電機的損耗情況加劇。在多定多轉結構中，定轉子交錯排列構成了多氣隙，能夠在多臺電機中作用，這種結構的渦流損耗相對較小，也能達到良好的通風冷卻效果。和常規結構相比，軸向結構的尺寸更小，但熱條件更好，轉動慣量更大，能夠讓發電機在干擾情況下保持運行。

（3）橫向磁通結構。在橫向磁通結構中，磁力線所處的平面是和轉子旋轉的方向互相垂直。由于永磁體的位置不同，可以分成兩種結構，一種是表面式結構，一種是聚磁式結構。在表面式結構中，近一半的永磁體可以和定子元件作用，定子元件構成的漏磁會削弱定子主磁通。在其中增加了軟磁材料，讓磁通具有了并聯支路，這樣能夠減少鐵心材料的用料，減少漏磁的情況，在一定程度上能減弱繞組磁勢。聚磁式結構中，發電機機構變得更加復雜，讓電機能獲得更高的氣隙磁通密度。橫向磁通結構能夠將鐵心和線圈的極距變得更小，在電機中各相沒有耦合，能夠對其進行獨立控制和分析，讓電機的容錯能力得到加強。同時這種結構更加復雜，需要更多的元件，制造成本也比較高。

1.2 驅動系統結構

（1）直驅式。在我國，直驅式驅動結構是發電系統中經常使用的結構，最大單機的容量能夠達到5MW。這樣的結構也決定了系統具有良好的轉換能力，在低風速區也能保持運行。由于直驅式結構沒有齒輪箱，讓設備在維護頻率上有所降低，提高了系統的安全性。在很多低速發電機中，極數比較多，永磁體的用料比較多，體積也相對較大，發電機的制造成本和安裝成本都相對更高。風機受到的沖擊也全都作用在發電機中，風機讓發電機的優化難度有所增加。

（2）半直驅式。隨著發電系統單機的容量增加，含有多級齒輪箱的半直驅結構也常被應用在發電系統中。目前常用到的是兩級齒輪箱，讓發電機上的額定轉速得到提升，也讓發電機的級數有所減少，從而使得安裝成本有所降低。半直驅式結構是對直驅式結構的優化，更加符合現代風電系統的發展趨勢。

2 永磁風力發電系統的功率變換技術

在永磁風力發電系統中，使用的功率變換技術就是應用全功率變換器，其中變換器拓撲結構被使用得比較多，對拓撲結構的控制也有著不同的方式，通過變換器的控制來實現對轉速、轉矩以及電網連接的控制。

2.1 Back-to-Back型兩電平變換器

在Back-to-Back型兩電平變換器的結構中，包含著直流母線、機側變換器、網側變換器等，由于技術發展得比較成熟，被廣泛應用在變換器中。在其中包含著直流環節，發電機的能量和電網的能量之間有緩沖的機會，機側和網側變換器可以進行解耦，讓拓撲結構變得簡單，可以操控的器件減少，更有利于數字實現。在一些大容量的永磁風電系統中，巨大的直流測電容可能會導致增大系統的體積和重量，導致功率轉換器的集成化受到影響。在直流側只有兩種電平，由此，在大型風電機組的機側變換器中，交流端需要加裝電抗器，避免電機繞組之上產生電壓。在網側變換器中，交流端需要增加濾波器，避免出現諧波污染影響電網。變換器的結構并不利于擴展容量，變換器的容量受到功率器件性能的影響，也對系統向大容量發展產生重要影響。

2.2 Boost斬波型兩電平變換器

在Boost斬波型兩電平變換器結構中，發電機和二極管整流橋相連接，變換器能量只能經發電機單向流向電網，這種結構常被應用在風電系統中。這種變換器的拓撲結構比較簡單，省略了驅動電路和器件，使系統的可靠性得到加強，讓器件的成本和損耗得到降低。在斬波器件中，功率器件能夠實現功率及其因數的校正，并不需要使用矢量控制策略，讓機側變換器使用的算法得到簡化。這種變換器不僅適用于小容量風電系統，還能結合串并聯技術擴大容量，已經能夠很好的滿足風電系統的要求。例如：在2MW風電系統中，已經廣泛使用了Boost斬波電路變換器，取得了很好的效果。

2.3 多電平變換器

隨著風電系統容量的不斷擴大，多電平技術已經逐漸在風電領域普及，成為了風電系統發展的重要趨勢。目前多電平轉換器從拓撲類型上分類，包括二極管鉗位型、飛跨電容型、H橋級聯型等。其中二極管鉗位型和飛跨電容型的使用范圍最為廣泛，能夠普遍適用于風電系統中。二極管鉗位型變換器具有的電平數量更多，交流側電壓更趨近于正弦，諧波含量也就比較低。例如：在變換器運行的過程中，功率器件在電壓應力逐漸降低的過程中，二極管鉗位型五電變換器的直流側電壓可以被提高3倍之多，讓變換器的容量得到擴大，更符合電機高壓化發展。但是隨著電平數的增加，變換器算法的復雜程度也會增加，因此電平數應該限制在5以內，變換器中若存在電壓不平衡，不能只適當調整算法，否則將會提高系統的復雜程度，降低系統的可靠性，還會讓電平數的問題更為突出。

2.4 矩陣變換器

目前，三相拓撲結構是矩陣變換器的關鍵形式，也具有較高的實用價值。矩陣交換器作為一個交-交變換器，具有可以四相運行、雙向流動的優勢，能夠滿足風電系統的基本要求，這種交換器省掉了直流電容，更有利于變換器的集成化。目前矩陣變換器最明顯的問題在于，使用了大量的功率器件，導致算法調制和控制換流相對更加復雜，讓系統的可靠性降低。矩陣變換器只能通過調制算法來促進正常工作，但在遇到故障問題的時候，系統的實時處理能力并不夠強，系統的可靠性不夠高。矩陣變換器電壓的利用上還比較低，要想提高電壓的利用率，使用最多的辦法就是從輸出側增加諧波分量，但是這樣將會影響到電能質量。因此，在應用矩陣變換器的時候，還需要借助其他技術。例如：在輸入與輸出端連接1個二級管橋形式的鉗位電路，形成對主電路的保護，避免主電路受到過電壓的損傷。在變換器的容量比較大的時候，要重視對保護電路引起的重量和體積的增加。目前矩陣變換器容量還停滯在百千瓦的等級上，還需要加強研究和發展。

3 結語

綜上所述，本文首先進行了永磁風力發電系統的研究，分析了發電機系統的結構，主要有常規磁通、軸向磁通、橫向磁通的3種結構，分析了驅動系統結構，主要有直驅式和半直驅式兩種結構。最后分析了永磁風力發電系統的功率變換技術，從Back-to-Back型、Boost斬波型、多電平以及矩陣變換器的4種變換器的應用，實現了功率變換。