永磁风力发电系统及其功率变换技术

高原

（国家电投集团湖北新能源有限公司，湖北 武汉 430070）

我国总装机容量已经超过了240000MW，成为了世界装机容量的首位，在全球装机容量中占26%以上的比例。在我国政府的支持下，我国技术人员加速了对风力发电相关技术的研究，将单机容量从kW级系统升级到MW级系统，也实现了恒速到变速的转化。

1 永磁风力发电系统的研究

1.1 发电机系统结构

在永磁风力发电机系统中，电磁结构的选择对发电机有着重要影响，根据磁通方向的不同，主要可以分为以下3种结构。

（1）常规磁通结构。在发电机中，常规磁通结构就是主磁通从永磁体进入到定子铁心中。根据永磁体的不同位置，又可以分成表面结构和内置结构两种。在径向充磁形式上，永磁体各部分的强度矢量包含径向分量，磁通密度的波形更加趋向于矩形波。在平行充磁形式上，磁化方向是和永磁体中心相平行，由此磁化强度矢量除了径向分量，还包括切向分量，磁通的密度是趋向于正弦分布。内置结构又可以分成径向、切向以及混合向3种，电机磁路不对称，永磁体抗退磁的能力比较强大，适合用在转速要求比较高的大型风电机组中。

（2）轴向磁通结构。由于转子数量、定子数量及其位置的不同，轴向磁通结构又可以分成单定单转、单定双转、双定单转以及多定多转这4种结构。在单定单转的结构中，定转子之间存在比较强大的单边磁拉力，避免转子轴向窜动，但是需要增加推力轴承，加工过程比较复杂。单定双转结构中，定子铁心使用无齿槽的形式，铁心上粘结绕组，形成了环形绕组，这样能改善上一种结构的单边磁拉力，但也增加了铁心和永磁材料，使电机的损耗情况加剧。在多定多转结构中，定转子交错排列构成了多气隙，能够在多台电机中作用，这种结构的涡流损耗相对较小，也能达到良好的通风冷却效果。和常规结构相比，轴向结构的尺寸更小，但热条件更好，转动惯量更大，能够让发电机在干扰情况下保持运行。

（3）横向磁通结构。在横向磁通结构中，磁力线所处的平面是和转子旋转的方向互相垂直。由于永磁体的位置不同，可以分成两种结构，一种是表面式结构，一种是聚磁式结构。在表面式结构中，近一半的永磁体可以和定子元件作用，定子元件构成的漏磁会削弱定子主磁通。在其中增加了软磁材料，让磁通具有了并联支路，这样能够减少铁心材料的用料，减少漏磁的情况，在一定程度上能减弱绕组磁势。聚磁式结构中，发电机机构变得更加复杂，让电机能获得更高的气隙磁通密度。横向磁通结构能够将铁心和线圈的极距变得更小，在电机中各相没有耦合，能够对其进行独立控制和分析，让电机的容错能力得到加强。同时这种结构更加复杂，需要更多的元件，制造成本也比较高。

1.2 驱动系统结构

（1）直驱式。在我国，直驱式驱动结构是发电系统中经常使用的结构，最大单机的容量能够达到5MW。这样的结构也决定了系统具有良好的转换能力，在低风速区也能保持运行。由于直驱式结构没有齿轮箱，让设备在维护频率上有所降低，提高了系统的安全性。在很多低速发电机中，极数比较多，永磁体的用料比较多，体积也相对较大，发电机的制造成本和安装成本都相对更高。风机受到的冲击也全都作用在发电机中，风机让发电机的优化难度有所增加。

（2）半直驱式。随着发电系统单机的容量增加，含有多级齿轮箱的半直驱结构也常被应用在发电系统中。目前常用到的是两级齿轮箱，让发电机上的额定转速得到提升，也让发电机的级数有所减少，从而使得安装成本有所降低。半直驱式结构是对直驱式结构的优化，更加符合现代风电系统的发展趋势。

2 永磁风力发电系统的功率变换技术

在永磁风力发电系统中，使用的功率变换技术就是应用全功率变换器，其中变换器拓扑结构被使用得比较多，对拓扑结构的控制也有着不同的方式，通过变换器的控制来实现对转速、转矩以及电网连接的控制。

2.1 Back-to-Back型两电平变换器

在Back-to-Back型两电平变换器的结构中，包含着直流母线、机侧变换器、网侧变换器等，由于技术发展得比较成熟，被广泛应用在变换器中。在其中包含着直流环节，发电机的能量和电网的能量之间有缓冲的机会，机侧和网侧变换器可以进行解耦，让拓扑结构变得简单，可以操控的器件减少，更有利于数字实现。在一些大容量的永磁风电系统中，巨大的直流测电容可能会导致增大系统的体积和重量，导致功率转换器的集成化受到影响。在直流侧只有两种电平，由此，在大型风电机组的机侧变换器中，交流端需要加装电抗器，避免电机绕组之上产生电压。在网侧变换器中，交流端需要增加滤波器，避免出现谐波污染影响电网。变换器的结构并不利于扩展容量，变换器的容量受到功率器件性能的影响，也对系统向大容量发展产生重要影响。

2.2 Boost斩波型两电平变换器

在Boost斩波型两电平变换器结构中，发电机和二极管整流桥相连接，变换器能量只能经发电机单向流向电网，这种结构常被应用在风电系统中。这种变换器的拓扑结构比较简单，省略了驱动电路和器件，使系统的可靠性得到加强，让器件的成本和损耗得到降低。在斩波器件中，功率器件能够实现功率及其因数的校正，并不需要使用矢量控制策略，让机侧变换器使用的算法得到简化。这种变换器不仅适用于小容量风电系统，还能结合串并联技术扩大容量，已经能够很好的满足风电系统的要求。例如：在2MW风电系统中，已经广泛使用了Boost斩波电路变换器，取得了很好的效果。

2.3 多电平变换器

随着风电系统容量的不断扩大，多电平技术已经逐渐在风电领域普及，成为了风电系统发展的重要趋势。目前多电平转换器从拓扑类型上分类，包括二极管钳位型、飞跨电容型、H桥级联型等。其中二极管钳位型和飞跨电容型的使用范围最为广泛，能够普遍适用于风电系统中。二极管钳位型变换器具有的电平数量更多，交流侧电压更趋近于正弦，谐波含量也就比较低。例如：在变换器运行的过程中，功率器件在电压应力逐渐降低的过程中，二极管钳位型五电变换器的直流侧电压可以被提高3倍之多，让变换器的容量得到扩大，更符合电机高压化发展。但是随着电平数的增加，变换器算法的复杂程度也会增加，因此电平数应该限制在5以内，变换器中若存在电压不平衡，不能只适当调整算法，否则将会提高系统的复杂程度，降低系统的可靠性，还会让电平数的问题更为突出。

2.4 矩阵变换器

目前，三相拓扑结构是矩阵变换器的关键形式，也具有较高的实用价值。矩阵交换器作为一个交-交变换器，具有可以四相运行、双向流动的优势，能够满足风电系统的基本要求，这种交换器省掉了直流电容，更有利于变换器的集成化。目前矩阵变换器最明显的问题在于，使用了大量的功率器件，导致算法调制和控制换流相对更加复杂，让系统的可靠性降低。矩阵变换器只能通过调制算法来促进正常工作，但在遇到故障问题的时候，系统的实时处理能力并不够强，系统的可靠性不够高。矩阵变换器电压的利用上还比较低，要想提高电压的利用率，使用最多的办法就是从输出侧增加谐波分量，但是这样将会影响到电能质量。因此，在应用矩阵变换器的时候，还需要借助其他技术。例如：在输入与输出端连接1个二级管桥形式的钳位电路，形成对主电路的保护，避免主电路受到过电压的损伤。在变换器的容量比较大的时候，要重视对保护电路引起的重量和体积的增加。目前矩阵变换器容量还停滞在百千瓦的等级上，还需要加强研究和发展。

3 结语

综上所述，本文首先进行了永磁风力发电系统的研究，分析了发电机系统的结构，主要有常规磁通、轴向磁通、横向磁通的3种结构，分析了驱动系统结构，主要有直驱式和半直驱式两种结构。最后分析了永磁风力发电系统的功率变换技术，从Back-to-Back型、Boost斩波型、多电平以及矩阵变换器的4种变换器的应用，实现了功率变换。