永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其功率變換技術(shù)

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(jīng)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(shù)人員加速了對風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)的研究，將單機容量從kW級系統(tǒng)升級到MW級系統(tǒng)，也實現(xiàn)了恒速到變速的轉(zhuǎn)化。

1 永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究

1.1 發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在永磁風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)中，電磁結(jié)構(gòu)的選擇對發(fā)電機有著重要影響，根據(jù)磁通方向的不同，主要可以分為以下3種結(jié)構(gòu)。

（1）常規(guī)磁通結(jié)構(gòu)。在發(fā)電機中，常規(guī)磁通結(jié)構(gòu)就是主磁通從永磁體進入到定子鐵心中。根據(jù)永磁體的不同位置，又可以分成表面結(jié)構(gòu)和內(nèi)置結(jié)構(gòu)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(nèi)置結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速要求比較高的大型風(fēng)電機組中。

（2）軸向磁通結(jié)構(gòu)。由于轉(zhuǎn)子數(shù)量、定子數(shù)量及其位置的不同，軸向磁通結(jié)構(gòu)又可以分成單定單轉(zhuǎn)、單定雙轉(zhuǎn)、雙定單轉(zhuǎn)以及多定多轉(zhuǎn)這4種結(jié)構(gòu)。在單定單轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)中，定轉(zhuǎn)子之間存在比較強大的單邊磁拉力，避免轉(zhuǎn)子軸向竄動，但是需要增加推力軸承，加工過程比較復(fù)雜。單定雙轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中，定子鐵心使用無齒槽的形式，鐵心上粘結(jié)繞組，形成了環(huán)形繞組，這樣能改善上一種結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中，定轉(zhuǎn)子交錯排列構(gòu)成了多氣隙，能夠在多臺電機中作用，這種結(jié)構(gòu)的渦流損耗相對較小，也能達(dá)到良好的通風(fēng)冷卻效果。和常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，軸向結(jié)構(gòu)的尺寸更小，但熱條件更好，轉(zhuǎn)動慣量更大，能夠讓發(fā)電機在干擾情況下保持運行。

（3）橫向磁通結(jié)構(gòu)。在橫向磁通結(jié)構(gòu)中，磁力線所處的平面是和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向互相垂直。由于永磁體的位置不同，可以分成兩種結(jié)構(gòu)，一種是表面式結(jié)構(gòu)，一種是聚磁式結(jié)構(gòu)。在表面式結(jié)構(gòu)中，近一半的永磁體可以和定子元件作用，定子元件構(gòu)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(lián)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(jié)構(gòu)中，發(fā)電機機構(gòu)變得更加復(fù)雜，讓電機能獲得更高的氣隙磁通密度。橫向磁通結(jié)構(gòu)能夠?qū)㈣F心和線圈的極距變得更小，在電機中各相沒有耦合，能夠?qū)ζ溥M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(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，需要更多的元件，制造成本也比較高。

1.2 驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）直驅(qū)式。在我國，直驅(qū)式驅(qū)動結(jié)構(gòu)是發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常使用的結(jié)構(gòu)，最大單機的容量能夠達(dá)到5MW。這樣的結(jié)構(gòu)也決定了系統(tǒng)具有良好的轉(zhuǎn)換能力，在低風(fēng)速區(qū)也能保持運行。由于直驅(qū)式結(jié)構(gòu)沒有齒輪箱，讓設(shè)備在維護頻率上有所降低，提高了系統(tǒng)的安全性。在很多低速發(fā)電機中，極數(shù)比較多，永磁體的用料比較多，體積也相對較大，發(fā)電機的制造成本和安裝成本都相對更高。風(fēng)機受到的沖擊也全都作用在發(fā)電機中，風(fēng)機讓發(fā)電機的優(yōu)化難度有所增加。

（2）半直驅(qū)式。隨著發(fā)電系統(tǒng)單機的容量增加，含有多級齒輪箱的半直驅(qū)結(jié)構(gòu)也常被應(yīng)用在發(fā)電系統(tǒng)中。目前常用到的是兩級齒輪箱，讓發(fā)電機上的額定轉(zhuǎn)速得到提升，也讓發(fā)電機的級數(shù)有所減少，從而使得安裝成本有所降低。半直驅(qū)式結(jié)構(gòu)是對直驅(qū)式結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，更加符合現(xiàn)代風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

2 永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率變換技術(shù)

在永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，使用的功率變換技術(shù)就是應(yīng)用全功率變換器，其中變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被使用得比較多，對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制也有著不同的方式，通過變換器的控制來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及電網(wǎng)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(jié)構(gòu)中，包含著直流母線、機側(cè)變換器、網(wǎng)側(cè)變換器等，由于技術(shù)發(fā)展得比較成熟，被廣泛應(yīng)用在變換器中。在其中包含著直流環(huán)節(jié)，發(fā)電機的能量和電網(wǎng)的能量之間有緩沖的機會，機側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器可以進行解耦，讓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得簡單，可以操控的器件減少，更有利于數(shù)字實現(xiàn)。在一些大容量的永磁風(fēng)電系統(tǒng)中，巨大的直流測電容可能會導(dǎo)致增大系統(tǒng)的體積和重量，導(dǎo)致功率轉(zhuǎn)換器的集成化受到影響。在直流側(cè)只有兩種電平，由此，在大型風(fēng)電機組的機側(cè)變換器中，交流端需要加裝電抗器，避免電機繞組之上產(chǎn)生電壓。在網(wǎng)側(cè)變換器中，交流端需要增加濾波器，避免出現(xiàn)諧波污染影響電網(wǎng)。變換器的結(jié)構(gòu)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(tǒng)向大容量發(fā)展產(chǎn)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(jié)構(gòu)中，發(fā)電機和二極管整流橋相連接，變換器能量只能經(jīng)發(fā)電機單向流向電網(wǎng)，這種結(jié)構(gòu)常被應(yīng)用在風(fēng)電系統(tǒng)中。這種變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡單，省略了驅(qū)動電路和器件，使系統(tǒng)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?qū)崿F(xiàn)功率及其因數(shù)的校正，并不需要使用矢量控制策略，讓機側(cè)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(fēng)電系統(tǒng)，還能結(jié)合串并聯(lián)技術(shù)擴大容量，已經(jīng)能夠很好的滿足風(fēng)電系統(tǒng)的要求。例如：在2MW風(fēng)電系統(tǒng)中，已經(jīng)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(fēng)電系統(tǒng)容量的不斷擴大，多電平技術(shù)已經(jīng)逐漸在風(fēng)電領(lǐng)域普及，成為了風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢。目前多電平轉(zhuǎn)換器從拓?fù)漕愋蜕戏诸悾ǘO管鉗位型、飛跨電容型、H橋級聯(lián)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(fēng)電系統(tǒng)中。二極管鉗位型變換器具有的電平數(shù)量更多，交流側(cè)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(yīng)力逐漸降低的過程中，二極管鉗位型五電變換器的直流側(cè)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(fā)展。但是隨著電平數(shù)的增加，變換器算法的復(fù)雜程度也會增加，因此電平數(shù)應(yīng)該限制在5以內(nèi)，變換器中若存在電壓不平衡，不能只適當(dāng)調(diào)整算法，否則將會提高系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低系統(tǒng)的可靠性，還會讓電平數(shù)的問題更為突出。

2.4 矩陣變換器

目前，三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是矩陣變換器的關(guān)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(yōu)勢，能夠滿足風(fēng)電系統(tǒng)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(dǎo)致算法調(diào)制和控制換流相對更加復(fù)雜，讓系統(tǒng)的可靠性降低。矩陣變換器只能通過調(diào)制算法來促進正常工作，但在遇到故障問題的時候，系統(tǒng)的實時處理能力并不夠強，系統(tǒng)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(cè)增加諧波分量，但是這樣將會影響到電能質(zhì)量。因此，在應(yīng)用矩陣變換器的時候，還需要借助其他技術(shù)。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(fā)展。

3 結(jié)語

綜上所述，本文首先進行了永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究，分析了發(fā)電機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，主要有常規(guī)磁通、軸向磁通、橫向磁通的3種結(jié)構(gòu)，分析了驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要有直驅(qū)式和半直驅(qū)式兩種結(jié)構(gòu)。最后分析了永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率變換技術(shù)，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(yīng)用，實現(xiàn)了功率變換。