不同整流系统对直驱永磁风力发电机的性能影响及选型评估

2010-06-27新疆金风科技股份有限公司刘万平赵祥

电气技术与经济 2010年1期

■ 新疆金风科技股份有限公司刘万平赵祥

中船重工712 研究所任修明张新丽

0 引言

永磁电机由于具有效率高、免维护等优点,加上与全功率变流器组合后对电网优越的动态调节特性,近10年来被越来越多地应用于大功率、并网型风力发电机组[ 124 ]。根据转速的不同,应用永磁技术的风力发电机组又可分为低速直驱永磁风力发电机组和混合传动风力发电机组。相对传统的技术,低速直驱永磁风力发电机组省去了维护量大、故障率高的齿轮箱,其多极永磁电机由叶轮直接驱动。这种技术主要适用于3MW以内的风力发电机组,当功率太大时,电机过大的直径将使其制造、运输及吊装成本大幅上升;而混合传动永磁风力发电机组通过增加齿轮箱,提高了电机的转速,使得电机的尺寸减小,同时又保持了永磁电机特有的技术优势。因此,在近年新涌现出来的多兆瓦级近海风机中,许多厂家均使用了这种概念。永磁电机采用永磁体励磁,如果忽略温度对永磁体的影响,转子励磁磁势保持恒定。因此,当一台电机设计完成以后,如忽略磁场饱和对电枢电感的影响,则电机气隙磁场的改变只能通过调节交、直轴电流的分量来实现,并达到调节电机输出特性的目的。永磁电机交、直轴电流的调节措施,与其所配套使用的变流器中整流器的类型有直接关系。对于基于二极管的被动整流,电机的输出电流矢量不能通过变流器控制,只能通过调节并联或串联在电机与变流器之间的电容器来达到。如已大量投入商业运行的金风科技1 200kW及1 500 kW 直驱风力发电机组,有部分机型就采用了并联电容补偿的二极管整流方式;而基于快速关断器件的主动整流变流器,可对电机电流矢量进行更为快速、灵活的控制,使电机性能达到最大限度地利用。

本文以金风科技1 200 kW永磁同步发电机为例,对其采用的不同变流系统对电机性能的影响进行了综合的分析和对比,并根据分析结果对电机与不同变流系统的匹配方案进行了评估,对根据电机设计特点如何进行变流系统选型具有一定的指导意义。

1 发电机的电气模型和参数

本文所分析的发电机为金风科技1 200 kW直驱永磁同步发电机,该机组为商业机组,其电机参数为同类产品的典型参数。为了分析方便,所有的发电机参数均被转化为标幺值,基准参数分别为额定的电压、电流和频率。根据上述基准值的定义,可以推算出所研究的1 200 kW发电机的定子电感L为0. 45,工作温度下的定子电阻为0. 024。电机的一相等值电路图和向量图分别如图1、2所示。金风科技1 200 kW永磁同步发电机转子为面贴式结构,转子磁场接近正弦波,因此转子磁场在定子绕组中的感应电动势E可表示为:

在负载状态下,定子绕组电流Is产生磁场,其中一部分磁场通过定子齿、定子轭、气隙、磁钢和转子轭闭合,称为电枢反应磁场,其产生的电抗称为电枢反应电抗xsh ; 另一部分仅通过定子齿、槽和定子轭,称为漏磁场,其产生的电抗称为漏电抗。对于面贴式转子结构, 由于永磁体的相对磁导率μr接近空气, 交、直轴电抗值相同。在负载情况下电流、电抗及功角等量之间关系如图2所示。

根据上述分析, dq坐标系下的电压方程有:

式中: usd , usq — —分别是交、直轴端电压;

isd , isq — —分别是交、直轴定子电流;

Ld , Lq — —分别为交、直轴定子电感。

在问题分析中,定子瞬态磁链Ψsd和Ψsq可以忽略。在dq轴参考坐标系下,发电机转矩可用式(4)描述:

2 整流系统的控制策略

对于主动整流系统,电机有三种典型的向量图,如图3所示。

第(Ⅰ)种控制方式为电机端电压和定子电流同相,电机功率因数为1;第(Ⅱ)种控制方式为电机端电压的大小始终等于电机空载反电动势,电流相位超前于端电压;第( Ⅲ)种控制方式的电流为纯q轴电流。第( Ⅰ)种控制方式基本等同于电机直接接电阻性负载或二极管整流负载,第(Ⅱ)和(Ⅲ)种控制方式需要负载向电机提供容性的无功功率,因此必须使用可控整流或带有电容补偿的二极管整流。在这三种不同的控制方式下,相同的定子电流会导致不同的功率和定子磁链。对于第(Ⅰ)种控制方式,合成磁链随着电流的增大而减小,定子磁链没有得到有效利用;电机功率随着电流的增大先增大后减小,当定子电流达到1时,所研究的电机功率为0.89;当电流达到约1.6时,达到峰值功率1.11。相比其他两种,该控制方式的主要优点是变流器所需容量最小。对于第(Ⅲ)种控制方式,定子为纯q轴电流,全部用来产生转矩,因此在相同大小电流的情况下,能产生最高的功率,但是合成磁链同时也随着电流的增大而增加,这样会导致定子铁心饱和和铁损的增加,因此,该控制方式很少使用。而第(Ⅱ)种控制模式通过调节电机输出端电压始终等于空载反电动势,定子磁链得到有效利用,同时当定子电流小于1时,产生的功率和第(Ⅲ)种控制模式产生的功率基本相同。

3 不同整流系统对电机性能的影响

由于二极管整流具有效率高、成本低的优点,而得到一些风机厂商的使用,例如本文所分析的金风科技62 /1 200 kW机组,使用的就是二极管整流的被动整流方式。如前分析,这种整流方式虽然变流器的设计容量最小,但是发电机磁链不能得到有效利用,其端电压随着电流的增加而大幅降低,因此发电机的空载反电动势往往要比额定电压约大20% ,而且电机阻抗的设计值一般较小,最终导致电机功率密度很低。为了解决这一问题,一般采取在电机后端增加补偿电容的措施来抬高发电机侧端电压,其中电容补偿又可分为串联补偿和并联补偿两种。下面主要分析图5所示二极管整流、二极管整流并联补偿、二极管整流串联补偿及主动整流第Ⅱ种控制方式这四种不同方案对电机的影响。

3.1 二极管整流

由于二极管整流具有成本低、效率高的优点,所以会成为整流系统设计的首选,但其最大的缺

点是电机输出端电压和电流同相位,因此在大电流下电机端电压较低,输出功率较低。为了使用这种廉价而又高效的整流系统,派生出了并联补偿二极管整流和串联补偿二极管整流这两种方案。

3.2 并联补偿二极管整流

通过在发电机端并联补偿电容,可以补偿发电机自身阻抗所消耗的无功电流,从而改变电机定子电流的相位并减小端电压,其向量图见图6。其中,I表示并联支路后的机端定子电流,Ic 表示并联电容支路电流。图7为额定转速、额定电流下,发电机磁链随补偿电容变化的曲线,由图可见,当补偿电容标幺值为0. 25时,发电机磁链达到标幺值1。在这种补偿模式下,当电容大小一定时,其无功补偿量主要与电机的端电压有关,而对于风力发电机组来说,一般在功率不到额定功率的50%时,电机已经达到了额定转速,如果忽略温度的影响,这时电机的反电动势已经达到了额定值,而此时的功率很低,因此电流很小,这样就会出现过度补偿现象,电机的合成磁链较高,从而导致高的铁损;随着功率的增加和电流的增大,这种过度补偿会越来越小。同样,这种补偿方式会带来一个问题,当机组过速并突然掉电时,会在整流器侧产生较高的电压,因此设计时必须严格校核,以免整流侧电力电子器件过压而烧毁。

3.3 串联补偿二极管整流

另外一种改善二极管整流弊端的有效措施是串联补偿二极管整流。串联电容补偿在空载状态下没有无功补偿,而且无功补偿量随着电机电流的增大而增大,因此基本不会出现过补或欠补的状态。串联电容补偿的向量图见图8。图9为额定电流下,电机磁链随串联电容的变化,由图可见,当串联电容标幺值为4. 4时,电机磁链的标幺值为1。串联补偿的缺点是通过电容器的电流大,而且电容器必须能够承受变流器侧短路所产生的短路电流。

3.4 可控整流

可控整流可以通过脉宽调制(PWM)整流系统任意调节负载电流的大小和相位,因此无论电机的转速、功率如何,其磁链都可以保持恒定,因此电机不会过补偿或欠补偿。但是,这种整流系统的缺点是成本较高,而且损耗较大。

3.5 四种不同整流系统对电机性能影响的对比

以金风科技1 200 kW风力发电机组为例,本文就这四种整流系统对电机的影响进行了对比分析。为了方便分析,忽略了电机电阻对性能的影响,电机的转速2功率曲线按照实际运行参数考虑,见图10。

图11为额定转速、在不同功率下对应4种整流系统的电机合成磁链变化曲线,从图中可以看出,采用串联补偿二极管整流和恒电压控制整流方式时,在任何电流下都具有恒定的定子磁链,这使得电机磁路得到有效利用且不会导致饱和,从磁路的角度来讲,是最佳的控制方式。而对于并联补偿二极管整流,如果设计合适的补偿电容使额定电流下的定子磁链标幺值为1,则由于并联补偿的无功量与电机端电压成正比,因此在部分功率下,电机会过补偿,尤其在额定转速、低功率下,合成磁链将超过空载磁链1. 1倍多,而这种工况在风力发电机组中是大量出现的,因此在电机设计时必须加以考虑,以防止电机磁路的过饱和。二极管整流随着电机电流的增加,其电流d轴分量产生去磁磁场,导致定子磁链下降,在额定功率下的磁链不到空载磁链的85% ,使得电机的磁路没有得到充分利用。

图12为额定转速下、4种不同的整流系统在不同电流下的功率,从图中可以看出,二极管整流并联补偿在低功率下,由于过补偿产生较大的无功电流,导致电机的功率因数较低,因此与串联补偿和恒电压控制相比,在低功率运行条件下的定子电流偏大。串联补偿二极管整流和恒电压控制具有几乎相同的功率2电流曲线,而单纯的二极管整流由于电机端电压随电流升高而下降,额定功率下的电流达到1. 2倍额定电流之多。

4 不同整流系统与电机的匹配评估

通过对不同整流方式下,电机在不同功率时的合成磁链与电流变化曲线进行对比分析得出,对于单纯的二极管整流,定子电流将在电枢反应电抗和漏电抗上产生电压降,导致发电机输出端电压随着定子电流的增加而降低,因此对于这种整流方式的电机设计,电机的空载反电动势要高出额定电压约20% ,同时电机的感抗标幺值应设计在0.6以下。对于本文所分析的金风62/1200kW永磁同步发电机,其电抗标幺值为0. 45,如采用这种整流系统,在额定功率下的电流将达到1.2。因此,这种整流系统将导致电机的极大浪费,很少使用。

由于单纯二极管整流存在上述问题,因此派生出二极管整流并联电容补偿和二极管整流串联电容补偿两种系统。对于并联电容补偿,无功补偿量与电机的端电压有关,这样会导致电机在低功率下出现过补偿,有可能导致电机磁路饱和,通过本文实例分析,其部分功率下的合成磁链将大于空载磁链的10% ,即负载时端电压过高,会导致电机铁耗的增加;同时,这种补偿方式使电机在低功率下具有较高的电流,进而导致较高的铜损耗。其优势是只有较小的电流流过补偿电容器,因此补偿电容器的成本和损耗较低。

串联补偿二极管整流的无功补偿量取决于电机的定子电流,这对于定转速、变功率的电机来说,是最佳的补偿方式。但是对于风力发电机,在小功率下的转速低于额定转速,此时电机会出现较小量的过补偿情况。从这种角度来讲,串联补偿二极管整流是比较合适的选择,但是补偿电容要按照额定电流来设计,同时还要满足在大电流冲击(如短路)下不受破坏。因此电容器的投资相对较高,而且电容器若设计不当,容易引起系统的振荡。基于主动整流的恒电压控制始终保持合成磁链恒定,通过调节电机定子电流矢量来控制电机的功率和转矩,这种控制方式能够使定子磁链得到最有效的利用,而且定子电流也相对较低,因此电机在整个运行功率范围内具有较高的效率,是最佳的控制方式。缺点是这种整流系统成本相对较高,而且对电机的绝缘会造成较高的冲击。