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不同风力发电机系统的概述与比较 摘要：为了最大限度地利用风能，风力发电机是非常关键的部分。本文分析了传统的风力发电机和新型风力发电机等风力发电机的原理、性能及特点,通过对比各种风力发电机的优缺点，对未来风力发电机的发展趋势做了展望: 风力发电机大型化；风力发电机采用直接驱动；风力发电机无刷化等。 关键词：风力发电机；双馈异步发电机；永磁同步发电机；开关磁阻发电机 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清洁能源，日益为世界各国所重视和开发。由于风能开发有着巨大的经济、社会、环保价值和发展前景，近20年来风电技术有了巨大的进步，风电开发在各种能源开发中增速最快。德国、西班牙、丹麦、美国等欧美国家在风力发电理论与技术研发方面起步较早，因而目前处于世界领先地位[1]。与风电发达国家相比，中国在风力发电机制造技术方面存在较大差距，目前国内只掌握了定桨距风机的制造技术和刚刚投入应用的兆瓦级永磁直驱同步发电机技术，在风机的大型化、变桨距控制、主动失速控制、变速恒频等先进风电技术方面还有待进一步研究和应用。发电机是风力发电机组中将风能转化为电能的重要装置，它不仅直接影响输出电能的质量和效率，也影响整个风电转换系统的性能和装置结构的复杂性[2]。 本文分析比较了各种风力发电机的优缺点，对未来风力发电机作了展望。 1传统风力发电机 1.1 笼型异步发电机 系统结构如图一所示。 图一 笼型异步发电机的结构图 图中的功率变换器是指软并网用的双向晶闸管起动装置，箭头指功率P的流动方向。其工作原理是利用电容器进行无功补偿，在高于同步转速附近作恒速运行，采用定桨距失速或主动失速桨叶，单速或双速发电机运行[3]。由于其控制策略在定子侧实现，变频器的容量和发电机的容量之比大于100%，整个系统的成本、体积和重量显著增加尤其对于大型风力发电系统；而且由于变频器直接和电网相连接，不可避免地对电网造成一些谐波污染。但鼠笼式异步电机因其结构简单、坚固耐用、运行可靠、易于维护和适宜恶劣的工作环境等优点，得到了广泛的应用，特别是在离网型风力发电系统中，目前多用于100kW以下的风力发电系统。 1.2 双馈发电机变速恒频系统 双馈电机与普通的绕线式感应电机类似，系统如图二所示。 图二 双馈异步发电机的结构图 采用的发电机为转子双馈发电机，定子绕组与电网直接相连，转子绕组通过变频器供以频率、幅值、相位和相序都可改变的三相低频励磁电流。无论风速如何发生变化，当电机的转速改变时，通过变频器调节转子的励磁电流频率来改变转子磁势的旋转速度，使转子磁势相对于定子的转速始终是同步的，定子感应电势频率即可保持定值，发电系统便可做到变速恒频运行。 此种结构的发电机是通过对其转差频率的控制来实现发电机的双馈调速。由于控制方案是在电机的转子侧实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，转差功率仅为发电机定子额定功率的1/4至1/3，功率转换装置的容量小、电压低，变频器的成本大为降低，系统容易设计与整理。 这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减小变频器的容量外，还可调节励磁电流的相位，达到改变功率角使发电机稳定运行的目的，所以可吸收更多无功功率，参与电网的无功功率调节, 解决电网电压升高的弊病，从而提高电网运行效率、电能质量与稳定性。缺点是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷，电刷和滑环之间的机械磨损会影响电机的寿命，需要经常维护，目前这种风力发电机技术已经商品化，能生产出兆瓦级风力发电系统[4]。 1.3 无刷双馈型变速恒频系统 无刷双馈电机是一种新型的，同时具有同步电机和异步电机特点的交流调速电机，其结构和运行原理与传统的交流电机有较大的差别，无刷双馈电机的定子上具有两套极数不同的对称三组绕组，分别称为功率绕组和控制绕组，转子采用笼型或磁阻型的结构，取消了电刷和滑环。通过电机转子的磁动势谐波或磁导谐波对定子不同极数的旋转磁场进行调制来实现电机的机电能量转换。如果改变控制绕组的连接方式及其外加电源的频率、幅值和相位，可以实现无刷双馈电机的多种运行方式。 无刷双馈电机结构如图三所示。 图三 无刷双馈发电机的结构图 定子上装有两套不同的三相对称绕组，一套接至工频电源，称为功率绕组；一套接至变频电源，称为控制绕组；转子采用自行闭合的环路结构。无刷双馈电机与普通感应电机的区别在于无刷双馈电机在定子上有一套控制绕组，可以通过调节控制绕组的电流频率来改变转子的转速[3]。与同步电机相比，无刷双馈电机励磁可调量有三个：一是与同步电机一样，可调节励磁电流的幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变电流的相位。通过人为地改变励磁频率，可调节无刷双馈电机的转速，达到调速的目的。这样，在负荷变化时，迅速改变电机转速，充分利用转子的动能，释放和吸收负荷，对