风力发电系统技术的发展综述

2012-12-01程启明程尹曼王映斐汪明媚

自动化仪表 2012年1期

关键词：励磁风力定子

程启明程尹曼王映斐汪明媚

(上海电力学院电力与自动化学院，上海 200090)

0 引言

在能源短缺和环境趋向恶化的今天，风能作为一种可再生的清洁能源，越来越受到世界各国的重视，也越来越多地被应用到风力发电中。

风力机和发电机是风力发电机组中将风能转化为电能的重要装置，它们不仅直接关系到输出电能的质量和效率，也影响着整个风电转换系统的性能和装置结构的复杂性。在过去的20年间，出现了多种风力机、风电系统控制技术、发电机及其风电系统。

本文较全面地介绍和分析了当前各种风电系统控制技术、风力机、风力发电机和风力发电系统，通过比较它们各自的原理、优缺点及适用范围，展望了未来风电系统的发展方向。

1 风电系统的控制技术

风力发电系统的运行方式可分为独立型、并网型和联合型3种。并网型风力发电系统由风力机控制器、风力机、传动装置、励磁调节器、发动机、变频器和变压器等组成，系统结构如图1所示。

图1 并网型风力发电系统结构图Fig.1 Structure of grid connected wind power system

风力发电机组包括风力机、发电机、变速传动装置及相应的控制器等，可用来实现风能与电能的能量转换。风力机和发电机的功率和速度控制是风力发电的关键技术。

风电机组中的风力机是将风能转换成机械能的能量转换装置，它由风轮、迎风装置和塔架等组成。按结构不同，风力机可分为水平轴式和立轴式两种;按功率调节方式不同，风力机可分为定桨距失速、变桨距和主动失速3种。

风电机组中的发电机是将机械能转化为电能的装置，发电机在并网时必须输出恒定频率(一般为50Hz)的电能。按照发电机转速的不同，发电机可分为恒速和变速两类，其中变速需要通过变频器来实现。变频器采用电力电子变流技术和控制技术，将发电机发出的频率变化交流电转换为与电网频率相同、能与电网柔性连接的交流电，且能实现最大风能跟踪控制。按照拓扑结构的不同，变频器可分为交-交型、交-直-交型和矩阵型3种;按照变频器容量的不同，变频器还可分为部分容量和全部容量(全额)两种。

变速传动装置可将低速的风轮转速转换为较高的发电机转速，按传动链类型的不同，它可分为齿轮箱驱动和直接驱动两种，其中前者包括多级和单级两种齿轮箱驱动。

2 风力发电机及其风电系统

实现恒速或变速风力发电系统有多种方案，采用何种类型的发电机主要取决于风电系统的形式。

2.1 传统的恒速/变速风电系统

2.1.1 基于SCIG的恒速风电系统

笼型异步发电机(squirrel cage induction generator，SCIG)是传统风电系统广泛采用的发电机［1］。该系统采用多级齿轮箱驱动的笼型异步发电机，发电机定子侧通过变压器直接接入电网，基于SCIG的恒速风电系统结构如图2所示。SCIG采用定桨距失速或主动失速桨叶，它在高于同步转速附近作恒速运行。并网运行时，SCIG需要从电网吸收无功功率以产生旋转磁场，但这会降低电网功率因数，影响电压的稳定性，因此，一般需配备并联补偿电容器组以补偿无功。

图2 基于SCIG的恒速风电系统结构图Fig.2 Structure of constant speed wind power system based on SCIG

基于SCIG的恒速风电系统的优点是:结构简单且坚固，制造容易，成本低，可靠性高;并网容易，可直接从电网中获得励磁功率;常将高低速的两台SCIG组合使用或采用变极式双速SCIG，以利用高低风速的风能资源，使系统稳定性好、控制方便。该系统的缺点是:转速基本不可控，运行范围窄，风能利用率低;只能实现两种有级调速，实现成本高;安装有多级齿轮箱，增加了系统重量、维护量和噪声，降低了系统效率;励磁电流来自定子绕组，无法对输出电压进行有效控制;需并联电容器进行无功补偿，以提高功率因数;风速变化使风力机的转矩波动，而发电机转速不变，这会使轴承、齿轮箱承受巨大的机械摩擦和疲劳应力。该系统在风电发展初期得到了广泛的应用。

2.1.2 基于WRIG的受限变速风电系统

基于WRIG的受限变速风电系统采用转子电阻可变的绕线式异步发电机(wound rotor induction generator，WRIG)［2］，定子侧直接接入电网，而转子绕组通过变流器件或普通异步发电机通过滑环外接可变电阻来调整转子回路电阻，从而调节发电机的转差率，实现有限变速运行。基于WRIG的受限变速风电系统结构如图3所示。

图3 基于WRIG的受限变速风电系统结构图Fig.3 Structure of limited variable speed wind power system based on WRIG

基于WRIG的受限变速风电系统的优点是:电机廉价、寿命较长、控制简单;采用变桨距调节及转子电流控制，提高动态性能，维持输出功率稳定，减小阵风扰动影响;功率器件和电阻都安装在转子内，可实现无刷化结构;采用串级调速，效率较高，装置容量与调速范围成正比，成本低。该系统的缺点是:在启动或改变电阻时会产生较大浪涌电流，给电网带来冲击，仍需无功补偿和软启动技术;外接电阻消耗能量，降低电机效率，还存在散热问题;一般需增加滑环和电刷来改变外接电阻，这就增加了故障发生概率;为获得较宽变速范围，电机机械特性被设计得较软，即在额定电压下，负载改变时转速变化较大，电机效率较低。该系统在风电系统中有所应用，但目前逐渐被鼠笼式+变频器等发电方式所淘汰。

2.1.3 基于ESC-SCIG的变速风电系统

电磁转差离合器(electromagnetic slip clutch，ESC)也称滑差电机，它的基本部件是电枢与磁极，这两者之间无机械联系，各自可以自由旋转。ESC被加在齿轮箱与SCIG之间，通过调节励磁电流来改变输出转矩，使主从动轴间产生转速差，使得发电机的转速保持不变。该风电系统结构如图4所示［3］。

图4 基于ESC-SCIG的变速风电系统结构图Fig.4 Structure of variable speed wind power system based on ESC-SCIG

基于ESC-SCIG的变速风电系统的优点是:通过速度负反馈实现无级调速，无失控区;结构简单、维护方便、价格低;控制简单，启动力矩大且平滑，输出电压波形好;控制功率小，便于自控、群控和集控。该系统的缺点是:故障率高、响应时间长、噪声较大、调速范围小;低速时效率低、特性软，需加反馈用以提高特性硬度;存在转差损耗，部分风能消耗在ESC发热上，降低了效率。该系统可应用于小功率风电系统，但因损耗大、效率低，现已很少使用。

2.1.4 基于MMG的变速风电系统

该系统由磁场调制发电机(magnet modulated generator，MMG)和功率转换电路等组成［4］，其结构如图5所示，其中磁场调制发电机具有较高的旋转频率fr。MMG采用电网频率为fm(一般为50Hz)的低频交流电励磁。电枢绕组的输出电压是由频率为(fr+fm)和(fr－fm)的两个分量组成的调幅波。经过并联桥式整流器整流，可控硅开关电路将波形的一半反向，再通过滤波器滤波，即得到与发电机转速无关、频率为fm的单相恒频正弦波输出。系统输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位。

图5 基于MMG的变速风电系统结构图Fig.5 Structure of variable speed wind power system based on MMG

基于MMG的变速风电系统的优点是:可直接用电网电流励磁，发电机的输出自动与电网同步，不存在失步问题，系统控制稳定且简单可靠;可使风力机在很大的风速范围内按最佳效率运行，风能转化效率高;简化了风力机的调速机构，只需采取适当的限速措施，且转速可在一定范围内波动，降低了风力机造价;可得到谐波含量少的正弦波形输出。该系统的缺点是:为了得到三相输出，需采用三套MMG发电系统;发电机的转速较高，而风机转速较低，这对变速齿轮箱的要求较高;变流装置在定子电路中，容量需求较大。该系统可应用于容量为数十千瓦到数百千瓦的中小型风电系统。

2.2 现代变速恒频风电系统

现代风电系统一般采用变速恒频技术，该技术可通过变流装置或改造发电机结构来实现。

2.2.1 基于SCIG的风电系统

基于SCIG的风电系统通过位于定子绕组回路的交-直-交全额变频器，将SCIG发电机发出的交流电转换为与电网频率相同的恒频电能［5］。基于SCIG的变速风电系统结构图如图6所示。

图6 基于SCIG的变速风电系统结构图Fig.6 Structure of variable speed wind power system based on SCIG

基于SCIG的风电系统的优点是:通过变频器实现变速运行，控制灵活、结构简单、运行可靠;价格便宜、制造方便、技术成熟;风速较大时效率较高;实现了软并网，并网时无电流冲击;若变频器采用静态自励式逆变器，可调节无功功率。该系统的缺点是:由于变频器在定子侧，变频器容量需与发电机容量相同，系统的成本、重量和损耗较高，系统效率较低;转速运行范围比窄;需配置庞大的变速齿轮箱，加大了噪声和故障率;需从电网吸收无功功率，且需配备无功补偿装置，电压和功率因数较难控制。该系统适合于中小容量风力发电系统。

2.2.2 基于DFIG的风电系统

基于双馈式异步发电机(doubly fed induction generator，DFIG)的变速风电系统如图 7 所示［6］。风力机采用变桨距调节，双馈发电机的转子采用绕线式结构，定子侧直接接电网，转子侧通过双向变频器连接到电网，可对转子进行交流励磁;通过控制转差频率，可实现发电机的双馈调速。该系统通过调节转子电流的频率、相位和功率来调节定子侧输出功率，使之与风力输出功率相匹配，使风机运行在最大功率点附近。

图7 基于DFIG的变速风电系统结构图Fig.7 Structure of variable speed wind power system based on DFIG

基于DFIG的风电系统的优点是:转子侧变频器容量仅为发电机容量的30%左右，大大降低了变换器的损耗、造价和体积;转子能量没有被消耗掉，转子绕组端口的功率根据电机运行状态可以实现双向流动;电网侧及直流侧滤波电感、电容功率减小，电磁干扰降低;电网侧变换器可提供无功补偿，便于实现电压调节，平滑并网电流;变频控制灵活，调节特性良好;具有良好的动态和暂态特性，实现有功和无功的解耦控制。该系统的缺点是:存在齿轮箱、滑环、电刷和双绕组，容易产生摩擦损耗，增加了维护量、噪声和成本，降低了可靠性;调速范围较小，一般只能在70% ～130%的额定转速范围内调节;需要采用双向变频器，控制回路多、控制较复杂、维护成本高;要求变频器具有低电压穿越等并网运行能力，控制复杂、投入大。目前，大多数变速风电系统都采用这种方式，如 Vestas、Gamesa、Repower、GE 等很多公司都有此类产品，其容量已达6 MW以上。

2.2.3 基于直驱式EESG的风电系统

由于风力机的转速较慢，而发电机的转速较快，两者之间一般需通过变速齿轮箱连接。但是，齿轮箱易磨损，油路易老化。而直驱式风电系统省去了齿轮箱，两者的转子同轴直接相连，简化了传动链，提高了效率和可靠性，降低了维护量和噪声。由于异步发电机(induction generator，IG)会产生滞后的功率因数且需要进行补偿，而同步发电机(synchronous generator，SG)可以控制励磁来调节其功率因数为1;且IG要通过增加转差率才能提高转矩，而SG只要加大功角就能增大转矩，调速范围更宽，承受转矩扰动能力更强，响应更快。因此，SG正逐步取代IG。直驱式SG可分为电激磁SG和永磁SG两大类。

基于电激磁同步发电机(electrically excited synchronous generator，EESG)的风电系统结构如图8所示［7］。变换器与发电机定子相连，定子侧的绕组结构和IG类似，一般采用转子侧直流激磁方式。电压源型逆变器的直流侧提供转子的励磁电流，通过控制转子侧变频器，可以调节励磁电流的大小。转子可用凸极或隐极结构，凸极结构常用于低速电机，较适用于直驱式风电机组。通过控制定子侧变频器，可控制电压的幅值和频率，使得发电机在较宽转速范围内运行。

图8 基于EESG的变速风电系统结构图Fig.8 Structure of variable speed wind power system based on EESG

基于直驱式EESG的风电系统的优点是:电机与风机直接连接，省去了齿轮箱，提高了效率和可靠性;控制回路少、控制电路简单、系统稳定可靠、维护成本低;并网电流平滑、噪声低、电压闪变小及功率因数高;无最大、最小速度限制，调速范围宽;发电机不承受较高的电压变化率，电磁兼容性好。该系统的缺点是:需配备全功率变频器，成本较高、损耗较大;电机转速较低，电磁转矩较大，同时电机极对数较多，电机体积大、成本高;直流环节需要高压、大容量的电容，其体积大、成本高;可采用直流或无刷励磁方式，存在励磁损耗。目前，该系统以制造商Enercon的产品为代表，单机容量已达4.5 MW。

2.2.4 基于直驱式PMSG的风电系统

采用直驱式永磁同步发电机(permenant magnet synchronous generator，PMSG)的风电系统结构与图6类似［8］。电机转子为永磁式结构，无需外部励磁电源，转子与风力机直接耦合相连，无需齿轮箱;定子通过变频器与电网相连，变频器将频率变化的电能转变为与电网同频的交流电。PMSG可分为径向式、轴向式和横向式3种励磁类型。

基于直驱式PMSG的风电系统的优点是:发电机效率高，低电压穿越能力强，控制鲁棒性好;变速范围不受限制，风能利用率高;省去了齿轮箱，降低了成本和噪声，提高了可靠性;无需外加励磁装置，减少了励磁损耗，无需从电网吸收无功功率，改善了电网功率因数;可采用多电平变换技术，将风能直接馈入高压电网;无需换向装置，实现了电机无刷化，寿命长、免维护、安全可靠性好。该系统的缺点是:需配备全功率变换器，成本高、体积大、损耗多;电机的转速低、体积大、成本高;励磁不能调节，输出电压波动较大;定子绕组绝缘等级要求较高;永磁材料价格较高、机械加工困难、高温或振动下易失磁;永磁电机功率因数特性差，需由变频器来补偿。该系统是目前性能最优、可靠性和性价比最高的风力发电方式，GE、Harakosan、Enercon、WinWind 等多家公司已生产容量大于2 MW的该类产品。

2.2.5 基于半直驱PMSG的风电系统

直驱式PMSG风电系统采用低速多极发电机，其体积大、成本高。半直驱型PMSG综合了DFIG和直驱PMSG系统的优点，它在风力机和PMSG之间增加了单级齿轮箱。该系统的结构与图6类似［9］，它采用PMSG作为发电机，但适当增加了发电机的级数;定子通过变频器并网，使系统效率提高。

基于半直驱PMSG的风电系统的优点是:兼有直驱型和齿轮箱型两者的优点，与直驱式PMSG系统相比，其发电机的转速较高、体积小、重量轻、集成度高;与DGIG系统相比，增速箱速比小、传动链简单、损耗小、故障率低、可靠性高;采用全功率变换器，平滑了并网电流，增强了电网故障穿越能力。该系统的缺点是:由于齿轮箱的存在，还需定期维护。该系统可靠、经济。目前，Multibrid和WinWind等公司已生产这种类型的机组。

2.2.6 基于PMBDCG的风电系统

直流发电机(DC generator，DCG)的电压波形平稳，但换向装置易损、故障率高、寿命短，且风力发电机安装在高塔架上，维修不便。因此，DCG在风电系统中很少使用。PMSG采用永磁体励磁，无需外加励磁装置，无需换向装置，效率高、寿命长，但励磁不能调节，输出电压波动较大。永磁无刷直流发电机(permenant magnet brushless DC generator，PMBDCG)采用永磁体转子励磁和外电枢式结构。该结构将永磁同步发电机与二极管全桥整流电路合为一体。其电枢绕组是直流单波绕组，它采用二极管整流的电子换向器来取代电刷换向装置，并将二极管与电枢绕组两者合为一体。这种风电系统的结构如图9所示［10］。

图9 基于PMBDCG的变速风电系统结构图Fig.9 Structure of variable speed wind power system based on PMBDCG

基于PMBDCG的风电系统的优点是:兼有DCG和PMSG的优点，其电压波形同DCG一样平滑，且启动与调速性能良好，启动转矩较大，无易磨损的换向装置;采用永磁体励磁，具有PMSG的无励磁损耗、寿命长、效率高等优点，但其电压调整率低于PMSG;采用直驱技术，省去了齿轮箱，降低了噪声，减小了维护量。该系统的缺点是:启动时直流电压直接加在电机绕组上，瞬间电流和冲击力矩很大;当绕组内部短路时，因采用永磁体的励磁，不能用切断励磁解决，还需配置相应机构使风机与电机可靠脱离。该系统只适合用于小型风电系统，实际使用不多。

2.3 新型变速恒频风电系统

近年来，一些具有商业化潜力的新型风力发电机及其风力发电系统不断涌现。典型系统介绍如下。

2.3.1 基于SRG的风电系统

采用开关磁阻发电机(switched reluctance generator，SRG)的风力发电系统结构如图10所示［11］。SRG为双凸极电机，定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既无绕组也无永磁体;SRG无独立的励磁绕组，与集中嵌放的定子电枢合并，通过控制器分时控制，实现励磁与发电。定子接驱动器将电能输出到直流侧，再通过逆变器将能量馈入电网。

图10 基于SRG的变速风电系统结构图Fig.10 Structure of variable speed wind power system based on SRG

基于SRG的风电系统的优点是:结构坚固且简单、能量密度高、成本低、可靠性和效率高、调速范围宽、控制灵活、过载能力强、无去磁效应;发电机相绕间无电磁耦合，容错能力很强;并网时无电流冲击;可调节无功功率;转子无绕组和永磁体，转子对温度不敏感，高温和高速下运行性能优良;启动转矩大，低速性能好;直驱式连接，无齿轮箱。该系统的缺点是:需配置全额逆变器和驱动器，成本高、体积大、损耗多;电机存在非线性、多可控参数，数学模型不明确，优化控制较难;逆变器控制以转子位置反馈为基础，控制较复杂;电动和发电时均需功率变换器工作，使发电可靠性降低;定子与转子极数的不同会产生电机力矩的脉动，机械特性较硬。该系统一般应用于30 kW以下的低速小型风电系统中，目前，它还没得到广泛的应用，但发展潜力较大。

2.3.2 基于BDFIG的风电系统

无刷双馈感应发电机(brushless doubly fed induction generator，BDFIG)省去了电刷和滑环，定子有两套极数不同的绕组，其中功率绕组直接接电网，控制绕组则通过双向功率变换器接电网。其转子采用笼型或磁阻式结构，无需电刷和滑环，转子极数应为定子两个绕组极对数之和。定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于DFIG的定子绕组和转子绕组，通过功率变换器改变输入到控制绕组的电流频率，可使发电机的输出频率保持恒定。其风力发电系统的结构如图11所示［12］。

图11 基于BDFIG的变速风电系统结构图Fig.11 Structure of variable speed wind power system based on BDFIG

基于BDFIG的风电系统的优点是:采用无刷结构，省去了碳刷和滑环，降低了成本，提高了可靠性和可维护性;变频器容量仅为发电机额定容量的一部分，可实现有功功率和无功功率的独立控制，对电网具有无功补偿的作用;可在不同的风速下运行，其转速可随风速的变化做相应的调制，使风力机处于最佳工况，提高机组的效率。该系统的缺点是:需要将两台绕线式异步电机同轴相联，或在一台普通无刷双馈电机的定子上装设两套极对数不同的绕组，电机结构复杂，成本较高，设计与实现难度较大;电机损耗比同容量的感应电机大，电机效率降低70%左右。目前，该系统仍处于实验研究阶段，尚未全面进入工程实用，但它将会广泛应用于中大容量的风电系统中。

2.3.3 基于CPG的风电系统

基于爪极式发电机(claw pole generator，CPG)的风力发电系统结构如图12所示［13］，它与一般同步电机的区别仅在于励磁系统部分。爪极发电机的磁路系统是一种并联磁路结构，所有各对极的磁势均来自一套共同的励磁绕组。系统通过变频器把爪极发电机发出的高频交流电转变为工频交流电，从而实现变速恒频控制。

图12 基于CPG的变速风电系统结构图Fig.12 Structure of variable speed wind power system based on CPG

基于CPG的风电系统的优点是:励磁绕组的结构简单、用料较省、励磁功率较小、效率更高;无刷结构，易维护;发电机除了机械摩擦力矩外，基本无启动阻力矩;通过调节励磁可方便地控制其输出特性，使风力机实现最佳叶尖速比运行，运行效率高。该系统的缺点是:交-直-交变频器控制电路复杂，可考虑采用背靠背的四象限变流器;爪极法兰盘结构较复杂，制造困难、费时;当发电机速度较高或容量较大时，爪极的离心力很大，爪子可能向外弯曲甚至断裂;爪极和法兰盘的体积较大，电机重量增加。该系统适用于千瓦级的风力发电装置，但实际应用并不多。

2.3.4 基于HVG的风电系统

一般发电机电压等级为690 V或960 V，兆瓦级风力发电机的电流很大，电线安装和运行成本很高。随着高压直流远程输电技术以及海上、沙漠、大草原等风电场并网技术的发展，风力发电机需与高压直流输电网直接并网。选择高压直流输电方式的原因是由于高压能减小输线电缆的截面积，降低成本，而直流能使交流需要的3根输电线减少为2根。高压发电机(high voltage generator，HVG)的定子绕组采用高压电缆绕制，其输出电压可达10～40 kV，高压发电机的输出端经过整流装置变换为高压直流电输出，并接到直流母线上实现并网，再将直流电经逆变器转换为交流电，输送到地方电网。基于HVG的风电场电气连接如图13所示［14］。

图13 基于HVG的风电场电气连接图Fig.13 The electrical connections of wind farms based on HVG

基于HVG的风电系统的优点是:省去了并网所需的升压变压器，免除了变压器损耗，提高了发电效率，只有当需要向远方电网送电时，才启用升压变压器;在直流母线上简单地实现了各机组的并行运行，且能同步控制它们的转速;采用不可控整流，技术简单、运行可靠、损耗少;分散式整流使各发电机在通过直流母线并联运行时产生了一种“电气隔离”，相互间不会产生环流;采用直驱式永磁体结构，省去了励磁装置和齿轮箱，提高了效率和可靠性;全功率变换器采用IGCT器件实现，IGCT比IGBT耐压高、电流大、功率器件少、转换效率高;高压直流可降低电缆成本，减少控制器件并联数目，减小功率变换器体积。该系统的缺点是:使用了大量的永磁材料，对永磁材料的性能稳定性要求高;在防止电网解列、高压放电故障等方面的风险投资更大，可靠性要求更高;高压对电气材料的绝缘要求提高;功率变换器采用IGCT器件实现，成本较高。由于海上、沙漠和草原深处架设输电线路较困难且距离较长，选用高压直流输电方式的高压风力发电机很合适。目前，ABB等公司已生产了3～5 MW高压SG，其输出电压为1.2 ～3.0 kV。

2.3.5 基于DWIG的风电系统

基于DWIG的风电系统采用定子双绕组异步发电机(dual-stator winding induction generator，DWIG)，发电机转子为普通笼型结构，坚固可靠，且无电刷，但定子具有两套绕组，其中一套为功率绕组，输出端通常接有整流桥负载，可输出直流或变频交流电，发电机的主要输出功率由这套绕组承担;另一套为控制绕组，接有静止的励磁调节器，由变换器提供所需的无功电流，采用一定的控制策略，可调节电机的磁场，实现变速运行。它与BDFIG的主要区别在于:BDFIG的两套定子绕组极数不同，而DWIG的两套定子绕组的极数相同，它们的工作原理不同。由于两套绕组的极对数相同，因此其工作频率相同，无电气连接，仅有磁场耦合。该系统结构如图14 所示［15］。

基于DWIG的风电系统的优点是:两套定子绕组仅有磁耦合，减小了高频谐波对功率绕组的影响，提高了电磁兼容性和可靠性;定子两回路无电气连接，便于实现高性能、高可靠性的控制;控制绕组的漏感对于调节器输出有一定的滤波作用，励磁变换器输出端不需滤波电感;允许转速和负载在较宽的范围内变化;转子结构为鼠笼型，结构简单，坚固可靠;无电刷和滑环，维护方便;采用自励电容器与变换器共同激磁对电机进行无功调节，保持输出电压稳定，在转速和负载变化不大的情况下，电容器能提供大部分的励磁无功，变换器仅提供电机无功电流的补偿部分，其容量和体积可减小。该系统的缺点是:在变速、变负载时自励电容的容抗变化大，为使系统输出恒压恒频的交流电，变换器除了担负更大的无功容量调节外，还会通过部分有功功率，这会增大其容量和体积;电机结构复杂，设计难度大，实现成本高。目前，该系统尚未成熟，可应用于中小功率和转速变化不大的风电系统。

2.3.6 基于TFPMG的风电系统

横向磁通永磁发电机(tansverse flux permanent magnet generator，TFPMG)是一种新型 PMSG［16］，它与常规发电机的不同之处体现在磁通回路。常规发电机的磁路方向一般沿转子的半径方向，而磁通发电机在横向的磁路方向为转子的轴向方向。

基于TFPMG的风电系统的优点是:定子各相间无耦合，可独立分析与控制，便于设计为多相结构，控制特性良好;电机的很多参数互相独立，可以任意选择，可根据需要调整磁路尺寸，选择线圈的规格和匝数;转矩密度大、效率高、体积和重量小;可采用无传动机构的直接联接。该系统的缺点是:结构复杂、工艺性差，制造困难，控制不易;功率因数较低，造成驱动系统容量增大，成本增加;电机的一些参数间相互制约，电机的尺寸对电机的转矩密度、漏磁系数影响很大。该系统可应用于容量小于30 kW的小型风电机，但还不是很成熟。

2.3.7 基于DSPMG的风电系统

双凸极永磁发电机(doubly salient permanent magnet generator，DSPMG)是一种将SRG的简单结构与高性能永磁材料相结合的新型发电机［17］。这种发电机的定子和转子均为凸极齿槽结构，定子齿上安放集中式绕组，绕组端部短、用料量少、损耗小。永磁体被置于定子轭部，具有独特的聚磁效应，使激励磁场受定子极弧面尺寸限制较少。使用时，只需增加凸极数量，就可满足风电直驱的需要。

基于DSPMG的风电系统的优点是:保留了SRG结构简单、控制灵活、功率密度高、效率高的优点;转子为纯铁心结构，无绕组和永磁体，结构简单坚固、转动惯量小、动态响应快、可靠性高;可单拍或双拍运行，控制参数多;由于定子具有永磁体，绕组电感小，电流换向容易，动态响应良好;采用永磁材料励磁，能量转换率高，损耗低;采用直接驱动方式，无需齿轮箱;电机和功率变换电路各相独立，容错性能好;利用了可产生转矩的两个区，功率密度较高。该系统的缺点是:由于电感值较小，低速运行时系统斩波频率高，逆变功率模块开关损耗大;由于电枢电流不规则，电流变化率、转矩脉动以及转速波动、振动、噪声均较大。该系统是2008年江苏火电电力设备制造有限公司申请的发明专利项目，可应用于中小型风电系统，目前，它的实际使用还不多。

2.3.8 基于EVT的风电系统

电气无级变速器(electric continuously variable transmission，EVT)具有外部永磁体转子、内部绕线式转子和1个定子［18］。EVT具有2个机械端口和2个电气端口，它的外转子和内转子分别与风力机、同步发电机相连，定子绕组和内转子绕组都通过功率变换器连接到直流母线上。EVT可接收任何风速输入，无级调节发电机转速，使发电机转速不随风速变化，实现变速恒频的功能。

基于EVT的风电系统的优点是:省去了机械齿轮箱和并网功率变换器，减小了功率损耗和谐波污染，无功调节更加便捷;相比机械无级传动，EVT传动可靠性高，经久耐用。该系统的缺点是:EVT内外电机的功率必须与风机功率相匹配，整流器、逆变器以及电池的容量也必须和风机功率相匹配;变换器价格昂贵。该系统是2008年东南大学申请的发明专利项目，可应用于小型风电系统，目前已授权几家公司少量生产。

2.3.9 基于APMSG的风电系统

全永磁悬浮发电机(all permanent magnetic suspension generator，APMSG)由原动力传送装置、磁力传动调速装置、磁轮和永磁发电机等组成。

基于APMSG的风电系统的优点是:轻风启动，微风发电，启动风速为1.5 m/s，远低于传统风速3.5 m/s;通过采用磁力传动技术和磁悬浮技术，可克服永磁发电机输出特性偏软的缺点。该系统的缺点是:技术还不是很成熟，还有一些问题需要进一步研究并加以解决。低风速启动技术可增加风电系统的发电时间。该系统被应用于开发广大地区的低风速资源。

3 风电系统的选型及发展趋势

每种风电系统都有各自的特点和适用场合，不同风电系统的性能比较需要考虑的因素有很多，包括转矩密度、成本、效率、材料、重量、风能质量和发电量等，完全定量比较非常困难。在实际应用时，应根据它们的特点和技术发展等作合理选择。目前，大型风电技术中，主流技术和首选方案是采用交流励磁双馈型变速恒频风电系统，而中小型机组可以选用交-直-交型的风电系统［19－22］。

为提高风力发电效率、降低成本、改善电能质量、减少噪声、实现稳定可靠运行，风电技术正朝着大容量、低成本、高效率、长寿命、变转速、直驱化、无刷化、智能化以及微风发电等方向发展。风电系统的主要发展趋势为:①风电机组型由定桨矩失速型向变桨矩和变速恒频型发展;②电机馈型由单馈型向双馈型发展;③传动技术由有齿轮箱向无齿轮箱(直驱型、半直驱型)发展;④电机电刷由有刷型向无刷型发展;⑤励磁方式由电励磁向永磁方向发展;⑥新型电机在风电系统中的应用由少品种向多品种发展;⑦单机容量由小向大发展;⑧电机品种由单一型向大、中、小型风机系统并列发展;⑨运行方式由独立运行向并网大型化与离网分散化互补运行发展;⑩风电成本由高向低发展;⑪风电选址由陆上风电向海上风电发展;⑫电机结构向紧凑、柔性、轻盈化发展;⑬电机材料由普通永磁式向全永磁悬浮式发展;⑭电机控制算法由传统控制向智能控制发展;⑮风电机组的联网方式由有线网络向无线网络发展。

4 结束语

作为一种开发成本低、清洁、安全、可再生的能源形式，风能越来越受到人们的重视。本文综述了国内外风力发电系统的发展概况，分析对比了风电系统的控制技术、风力机、发电机及其风电系统的技术特点和适用范围;同时指出了风力发电机的发展方向，可供选择风力发电机系统和研发新型风力发电机系统时参考。这对风电系统的选择与研究具有一定参考指导价值。

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