直驱式风力发电系统及其控制策略的思考

葛坚+高振宇

【摘 要】现代的风力发电技术已经趋向成熟，而且随着环保呼声的高涨，风力发电的市场前景也比较广阔。本文在分析直驱式风力发电系统面临问题的基础上，分析了直驱式风力发电系统的基本构造，并提出了运用多极绕线式同步发电机改善失步现象、运用多极永磁同步发电机提升稳定性、运用高压永磁发电机型发电机节省齿轮箱等控制策略，希望能够为风机发电技术的发展提供一些借鉴。

【关键词】精简结构；励磁绕组；多级绕线

0 引言

风能是一种可再生性的能源，并且没有污染性，能够同时满足人类生产建设和可持续发展环保理念的需要，因此，近些年来越来越多的企业开始重视应用最新技术来提升风能开发的效率。另外，随着风力发电技术的不断完善，我国的风力发电开始也向大规模的产业化趋势发展。而对于风力发电工程中直驱式风力发电系统及其控制策略的研究，也关系着风力发展系统的安全运作。

1 直驱式风力发电系统面临的问题

以往的风力发电系统中多采用三相同步发电机，部件之间靠“刚性连接”实行并网发电，对调速系统和励磁系统的运行条件有着很高的要求，如果不能对电压进行有效控制，可能会出现失步现象，导致发电中的电压和功率失衡。在大功率发电运行中，复杂的电机结构可能会导致电力系统出现故障，而当直驱式风力发电系统中的极数增加之后，也可能会导致电机的转子外圆和定子内径的尺寸远超过额定值，增加电机结构的复杂性，促使电机的体积和质量迅速增加，并不利于提高电机机组的运行效率。而且其中使用的一些磁性材料成本较高，但发电机中的电压调节性能却不强，通常发电系统的变速恒频控制的实现要通过定子电路中，而电力系统中变换器的容量要求和发电机额定的容量一旦相同，容易增加系统的内部损耗，增加系统运行的不安全性。另外，风力发电的发电机要长时间运行于密封的机舱中，往往也会因为散热性能差而增加发电系统的运行负荷量，使得发电系统整体的运行速率有所降低。

2 直驱式风力发电系统的基本构造

（1）风力机

风力机在风力发电系统中主要能够起到转化风能为机械能的作用，一般情况下风会以特定的运行速度和传播角度推动桨叶旋转，产生风能转化为机械能的动力。风力机中的风轮主要由叶片组装在轮毂上而构成，叶片数目一般视风力机的用途而定，通常为两到三片，在风速大的时候可以产生效率很高的风能利用系数，给风力发电提供极大的便利。

（2）永磁同步发电机

在中小型风力发电机中通常会采用结构简单，而且效率还比较高的永磁同步发动机。永磁同步发动机在进行风力发电时，能为企业带来减少维护风力发电机组运行成本的优势，而且这种发动机内部机械的传动部件能够减少发电机组运行时的噪音，最重要的是它的结构比较简单，能够较少复杂的电机系统在运行时可能出现的各种故障。

（3）变流电路

在风力发电机和负载之间，通常会加入具有机侧整流器和网侧逆变器两大部件的变流电路，以保证发电机在风力不稳定情况下负荷电量的安全性。当前的小型风力发电系统中运用的逆变器多数是电压型单相桥式逆变器，因为这种逆变器轻载时的效率比较高，能够保障风力发电系统在运行时能够维持在轻载状态下，有助于发电机输出电压的稳定性。

3 直驱式风力发电系统的控制策略

（1）运用多极绕线式同步发电机改善失步现象

在以往使用的三相同步发电机经常出现失步现象后，人们开始越来越多的关注多极绕线式同步发电机的使用。这种发电机的好处在于能够通过减少使用齿轮箱，来提升风力发电系统的稳定性，保证发电电能的质量有所提升[1]。其次，多极绕线式同步发电机还能够让电力变换器与电网进行连接，从而将电压和频率调控在一定的范围内，使得发电机系统内部的工作频率能够和电网的频率保持各自独立，避免并网情况下造成电网系统的失步现象。而且，一般情况下多极绕线式同步发电机会用变桨距来控制发电机组，运用变桨距进行控制的好处就是能够让机组保持在最佳的运行频率上，能为电网的运行提供更多的发电量。目前多极绕线式同步发动机能够同时输出有功和无功两种功率，而且使用的价格也比较便宜，还能够保证有熟练的制造工艺，可以说有是由极高的性价比，非常适用于大容量的风力发电系统。

（2）运用多极永磁同步发电机提升稳定性

交流永磁发电机中所应用的永磁材料主要是铁氧体和钕铁硼两种，这种发电机一般会应用在10kW以下的小型直流风力发电系统中，直流电会依靠风力机与发电机之间的连接，在通过整流器后进行输出。多极永磁同步发电机能够改变以往大功率发电运行中复杂的电机结构出现故障的情况，借用风力机与发电机的直接相连，实现对变桨距运行功率的有效控制，提升机组之间的功率密度[2]。因为永磁发电机中的定子与常见交流电机相同，而且转子应用的是永磁式结构，不需要励磁绕组，因此减少了励磁绕组带来的损耗，有助于发电系统的运行效率。当前已经有不少研究人员将多极永磁发电机型风力发电系统看作是风力发电技术未来的主要发展方向，并加强了对其研究的力度，也意味着在日后的大型直驱式风力发电中，随着风力发电机组容量的不断增加，永磁发电机在精简系统系统结构，减少系统重量方面也会越来越具有优势，有非常广阔的发展前景。

（3）运用高压永磁发电机型发电机节省齿轮箱

高压永磁发电机型发电机主要是ABB公司研发出来，采用高压永磁发电机与风力机直接相连的方式，通过控制变桨距，实现高压直流输电，进而进行系统的并网，能够达到3MW的输出功率。高压永磁发电机型发电机的结构和多极永磁发电机型的风力发电系统很像，转子都是运用永磁材料中的钕铁硼等材料制成的，具有多極的特征，但是高压永磁发电机型发电系统中定子是电缆电枢绕组，主要由一种圆形的交联聚乙烯电缆烧制而成，有很强的绝缘属性。这种系统的运作原理主要是通过电机释放高压电，继而整流装置将输出端连接到直流母线上，再利用逆变器进行转换，就可以将交流电传送到运行的电网中。这种发电机系统可以节省齿轮箱的使用，而且不需要励磁装备和滑环等，能够精简电机的结构，提升电机机组的稳定性。以往的发电侧输出电压都需要限制在20kV以下，还要让发电端与输电网连接后，借助升压变压起进行发电，但高压永磁发电系统的先进性就在于已经结合了发电机和升压变压器，这就很大程度上精简了电机机组的构成部件，使得发电系统中的有功和无功损耗都有所降低，避免了很多繁杂的环节，能够减少发电系统中的损耗，从而产生更多的经济效益。

4 结束语

综上所述，可以得知直驱式风力发电系统中的各种系统都具有其自身的特性和优势。在进行兆瓦级以上的风力系统运行时，可以选用多极绕线式同步发电机型或者多极永磁同步发电机型，而一些大容量的风力发电系统则可以选用高压永磁同步发电机型，这些都是机组结构比较精简，而且运行安全性极高的发电系统，都能够为直驱式风力发电系统的大力发展提供推动力。

【参考文献】

[1]张超，董学育，章心因.直驱式风力发电系统低电压穿越控制策略研究[J].电工电气，2017，（10）：21-25+43.

[2]丁娅.三电平变流器直驱式永磁风力发电系统控制策略研究[D].重庆理工大学，2016.endprint