浅谈永磁直驱风力发电机组转速控制

傅永安 张佛详

（国华（哈密）新能源有限公司，新疆 哈密 839000）

一、发电机速度控制技术

1.恒速恒频式发电机组

恒速恒频风力机与其他类型风力机最大的区别在于，发电机转速的变化很小，可以认为是近似不变的。通常来讲，这种类型的发电机使用的是鼠笼式感应发电机。恒速恒频单元的优点是操作控制简单、电机可靠耐用、电气成本极低。但是，这种装置的缺点也是非常的明显的。

首先，由于该机组的转速是恒定的，因此，确定当风速发生变化时，机组不能以最佳转速运行，即无法达到最佳叶尖速比，风能利用率较低。其次，气动力理论分析。由于风速是恒定的，伴随着风速的强烈的起伏，会产生比较强烈的变动。接着传动轴的机械应力会发生显著的变动，使得输出功率产生震动，同时，将会使得风机的机械使用寿命下降。最后，机组无法测量，电网输出无功功率无法连续调节，输出电能的质量不高[1]。因为以上的种种问题，在机组中的运用非常的少见。

2.发电机组中的变速恒频式

变速恒频风力发电系统最大的特点是如果在有效的范围之中的时候，发电机组转速是能够变化的，恒频交流电流。这种发电机组采用的是发电机一般为双馈感应发电机。对于双馈风力发电机而言，转子和风扇轴相连接，经过的是齿轮箱，发电机定子和电网直接相链接。经过背靠背变流器，转子和电网相链接。

通过调整转差，使发电机的三种运行状态分别为次同步、同步和超同步[2]。同时，转差调节范围广，能够有效地控制网侧输出功率。

另外，变频器只需要转移滑移率，所以在选择变频器的容量时，只能选择装机容量的1/2或者是1/3，会使得成本快速的降低，这个优点使得变频器能够在市场上被广泛地推广，这也是重大的原因所在。但是，和永磁直驱风机相比较而言，还是存在着一部分的缺点的：比如容易漏油，轮箱有比较高的成本，需要定时地对发电机滑环电刷进行更换以及检查，维护成本高，运行可靠性降低。

3.变速变频式发电机组

变速变频风力机，其最重要的特点是，在风速是在有效的范围之内的时候，发电机定子侧会产生比较高频率的交流电，同时，发电机的转速是起起伏伏的。因此，这类风力机不能直接并网，需要串联变流器才能电网运行。这种风力发电机组的发电机通常使用的是永磁同步发电机组。

与双馈风力机相比，永磁直驱风力机具有许多固有的优点。首先，永磁直驱风机通常采用多级永磁作为转子，不需要高速，所以也不需要这个变速箱。转子通过联轴器与发电机轴直接连接，降低噪声。其次，由于其结构原因，无滑环和电刷，机组运行可靠性较高，降低了后期维护费用。最后，发电机定子绕组通过全功率变流器装置与电网连接，使其更适合电网的功率波动，更利于电网侧的控制[3]。

和双馈风力机以及永磁直驱风力机相比较而言，永磁直驱风力机既有优点，也有缺点。永磁直驱风力发电机的缺点是成本。因为体积比较大，那么它的成本就比较的高，所以缺点就是成本高。但是它的结构是不需要电刷、变速箱以及滑环的，极大地提升了机组的使用的效率，同时，也提升了运行的可靠性以及稳定性。可是这种结构是不用变速箱、电刷、滑环等等这些部件的[4-5]。由于这一优点，永磁直驱式风力机渐渐地被国内外的一些学者所广泛的喜爱以及关注。

二、永磁直驱风力发电机

和双馈同步发电机相比较而言，永磁直驱式风力机最大的区别是交流发电机轴，是和风轮轴相链接的。没有传输连接增加了系统的可靠性，减少了机组的维护工作。永磁直流式风力发电机具有效率高、噪声低、结构简单等优点。

永磁直流式风力发电机的主要部件有：永磁同步发电机、风力发电机、变频器以及传动机构等等。控制系统主要包含了速度控制、可变转子系统的控制以及保护装置断路器的控制[6]。经过全功率变流器，永磁同步发电机和电网相链接起来，保证了风力机在变速条件下的稳定运行。目前，国内永磁同步发电机故障率最低的厂家为金风科技有限公司。其电流转换系统采用金风风冷（水冷）自动转换。

以金风水冷式自动变换器为例，功率控制方式采用变速变桨叶控制。可变风速用于调节额定风速以下，可变桨叶用于调节额定风速以上。可变叶片由柔性齿带驱动，控制叶片的俯仰角。发电机采用多极外转子永磁同步发电机，叶轮与发电机转子直接相连。永磁外转子，励磁方式结构简单，无励磁损耗，它减少了传统电励磁的体积，减少了故障的可能性。无碳刷和滑环，减少维护，提高可用性。发电机为强制通风冷却系统，电网无励磁，发电机低速运行。机组全功率电流转换系统采用AC-DC-AC转换方式，通过整流环节（AC/DC）将来自发电机的低频交流电转换为直流电，然后通过逆变器环节（DC/AC）进入与电网频率和相位相同的交流电，最后通过变压器进入电网。全功率变换器适应50Hz/60Hz电网，机组功率因数调节范围宽（电感0.95—电容0.95）。全功率变换器系统的冷却系统采用主动液冷设计，有效提高冷却效率。

三、永磁直驱风力发电机转速控制

转速测量即发电机转速测量，它的测量含义为每分钟叶轮/发电机转子旋转的圈数，单位：转/每分钟。发电机转速是风力发电机组设备性能调节、机组控制、状态监测、保护动作中的一个重要特性参量，它的意义在于提高机组的可靠性和安全性，可靠性主要体现在数据记录分析、模式转换、功率控制和载荷控制，安全性主要体现在故障保护和运行安全保护。

永磁直驱风力发电机转速测量控制采用间接式和直接式测量来实现，主要通过两个不同的接近开关对发电机螺栓的转动来进行转速测量，通过螺栓的转动，产生不同的电平脉冲，之后输出24V的脉冲电信号到OVERSPEED模块。当两个脉冲传感器各采集一组脉冲信号送入OVERSPEED模块时，OVERSPEED模块将脉冲信号转换为模拟量与内部触发器作对比，当输入的模拟量电压大于触发器设定值，内部继电器得电断开常闭触点，外部过速继电器断开，导致安全链动作，达到叶轮过速的保护目的，OVERSPEED模块将输出2路脉冲信号对应转速的电压模拟量，送至主控制系统，由主控制系统PLC机乘以一个系数后转换为发电机转速。通过将这两个转速（发电机转速1和发电机转速2）串入安全链来实现机组的保护，通过安全链的反逻辑设计，串为一条回路当有一点断开，机组会紧急停机，叶片以7度每秒的速度收桨，其特点独立于机组plc控制，大大提高了机组的安全性能和可靠性。计数脉冲测量该测量方式由2个GPLUSE（脉冲电压测速）模块和一个GSPEED（发电机速度测量）模块构成。GPLUSE模块测量出发电机电压信号频率 ，输出一个脉冲列信号进入GSPEED模块，GSPEED模块处理后将脉冲信号转化为对应转速的模拟量输送到风机主控制系统，并由主控制系统软件计算发电机转速。GPLUSE模块测量原理为：分别引入发电机的两套三相绕组的其中一套绕组电压到模块，叠加信号产生SPEED3，送至profibuss-DP至主控PLC。

直接测量即在发电机滑环连接处安装增量式旋转编码器，通过发电机带动编码器旋转结构旋转，达到光电转换计数。通过以上几种方式测量的转速，可及时调整叶片位置和电磁扭矩，达到功率控制的目的，实现AGC对风电场整体功率的调节。

对于永磁式风力发电机，由于发电机是由永磁体励磁的，发电机和VSC1变频器之间可以无功的转化，但是不需要他们进行转化，能够依据实际的风速随时随地地对电压信号以及频率进行调整，在这样的情况下，矢量控制方法中基于DQ同步旋转坐标系，能够出现相应的电压矢量UD和电频FE以及UE，进一步控制住发电机的转速。

结语

在改变了实际的风速之后，再来改变风力机的转速，这就是变速直驱永磁风力机的控制策略。通过改变桨体来调整桨体的距离角，跟踪风力机的最大功率曲线，使风力机得到最佳的风力[7]。控制过程的关键是变转子系统根据风机的情况，对采集到的风速信号进行及时的调整，确保机组的转速保持在额定功率附近。依据永磁发电机无功功率所存在的特点，为了控制好发电机的转速，使用DQ同步坐标系的矢量控制方法进行控制。全部的控制方法能够有助于风力机保持比较稳定的状态，但是因为控制系统比较复杂，并且需要高的、可靠的发电机，所以，应该不停地提升所有部分的性能，提高变速直驱永磁发电机组的控制率。