直驱型风力发电系统概述

　　1 引 言

　　随着风电机组单机容量的增大，双馈型风电系统中齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出，于是没有齿轮箱而将主轴与低速多极同步发电机直接连接的直驱式布局应运而生;从中长期来看，直驱型和半直驱型传动系统将逐步在大型风电机组中占有更大比例，另外在传动系统中采用集成化设计和紧凑型结构是未来大型风电机组的发展趋势。在大功率变流技术和高性能永磁材料日益发展完善的背景下，大型风电机组越来越多地采用pmsg，pmsg不从电网吸收无功功率，无需励磁绕组和直流电源，也不需要滑环碳刷，结构简单且技术可靠性高，对电网运行影响小。pmsg与全功率变流器结合可以显著改善电能质量，减轻对低压电网的冲击，保障风电并网后的电网可靠性和安全性，与双馈型机组(变流器容量通常为1/3风电机组额定功率)相比，全功率变流器更容易实现低电压穿越等功能，更容易满足电网对风电并网日益严格的要求。

　　中国风电行业发展迅速，但与国际发展水平还有很大差距，目前主要依靠进口，对外依赖性强;基于pmsg和背靠背双pwm变流器的直驱型风电系统是一种发展很快的技术，具有优良的性能，国外大型风电厂商已有成熟的直驱风电产品，国内在理论研究与产品性能方面，都还亟需提高与改进，因此很有必要对其涉及的关键技术进行研究。

　　2 直接驱动型风力发电系统介绍

　　图1是典型的永磁直驱型变速恒频风力发电系统，包括永磁同步发电机(pmsg)和全功率背靠背双pwm变流器，无齿轮箱。pmsg通过全功率变流器直接与电网连接，通常极对数较多，低转速，大转矩，径向尺寸较大，轴向尺寸较小，呈圆环状;由于省去了齿轮箱，从而简化了传动链，提高了系统效率，降低了机械噪声，减小了维修量，提高了机组的寿命和运行可靠性;发电机通过变流器与电网隔离，因此其应对电网故障的能力更强，与dfig风电系统相比，更容易实现低电压穿越功能。但是永磁材料目前的成本仍然较高;变流器容量较大，损耗较大，变流器的成本较高。理论上永磁体在高温时存在失磁的风险，但是近年来随着永磁材料性能的不断提高、价格的下降，pmsg+全功率变流器已经成为一种很有吸引力和应用前景的方案[3-4]。目前，zephyros，mitsubishi，新疆金风等在市场上有这类产品。

　　针对图1的pmsg直驱型风电系统，还可以采用电励磁同步发电机(electrically excited synchronous generator，eesc)，通常在转子侧进行直流励磁。使用eesc相比使用pmsg的优势在于，转子励磁电流可控，可以控制磁链在不同功率段获得最小损耗;而且不需要使用成本较高的永磁材料，也避免了永磁体失磁的风险，enercon公司主要经营这类产品。但是eesc需要为励磁绕组提供空间，会使电机尺寸更大，转子绕组直流励磁需要滑环和电刷。pmsg由于不是标准产品，在尺寸及结构上有很大的灵活性，根据磁通分布可以分为以下几类：径向磁通永磁电机(radial flux pm machine，rfpm)、轴向磁通(axial flux pm machine，afpm)和横向磁通(transversal flux pm machine，tfpm)，其中rfpm结构简单稳固，功率密度更高，在大功率直驱型风电系统中得到了较多应用。

　　目前市场上已有的直驱型风力发电系统产品，根据发电机类型、额定功率和转速以及厂家的不同，可以汇总得到表1。

　　表2给出了几个厂家直驱风力发电机的比较，包括风力发电机类型、转子速度、转矩、直径、总质量、质量转矩比等。

　　3 直驱风电变流器

　　电力电子变流器作为风力发电与电网的接口，作用非常重要，既要对风力发电机进行控制，又要向电网输送优质电能，还要实现低电压穿越等功能;随着风力发电的快速发展和风电机组单机容量的不断增大，变流器的容量也要随之增大，因此大容量多电平变流器也开始得到应用，以下将对一些典型变流器拓扑结构进行讨论。

　　从图1中可以看到，典型的永磁直驱变速恒频风电系统中，采用背靠背双pwm变流器，包括电机侧变流器与电网侧变流器，能量可以双向流动。对pmsg直驱系统，电机侧pwm变流器通过调节定子侧的dq轴电流，实现转速调节及电机励磁与转矩的解耦控制，使发电机运行在变速恒频状态，额定风速以下具有最大风能捕获功能。电网侧pwm变流器通过调节网侧的dq轴电流，保持直流侧电压稳定，实现有功和无功的解耦控制，控制流向电网的无功功率，通常运行在单位功率因数状态，还要提高注入电网的电能质量。背靠背双pwm变流器是目前风电系统中常见的一种拓扑，国内外对其研究较多，主要集中在变流器建模、控制算法以及如何提高其故障穿越能力等方面[8-9]。国外公司如abb、alstom，国内公司如合肥阳光电源等，均有这类变流器产品。

　　对直驱型风电系统，变流器拓扑的选择较多。图2是不控整流+boost变换器+逆变拓扑结构，通过boost变换器实现输入侧功率因数校正(power factor correction，pfc)，提高发电机的运行效率，保持直流侧电压的稳定，对pmsg的电磁转矩和转速进行控制，实现变速恒频运行，在额定风速以下具有最大风能捕获功能。国外enercon公司的直驱风电系统e82(2mw)、国内合肥阳光电源的小型并网风力机变流器使用这种拓扑。

　　随着风电机组单机容量的不断增大，风电变流器的电压与电流等级也在不断提高，因此多电平变流器拓扑得到了广泛关注。变流器采用多电平方式后，可以在常规功率器件耐压基础上，实现高电压等级，获得更多级(台阶)的输出电压，使波形更接近正弦，谐波含量少，电压变化率小，并获得更大的输出容量。图3是直驱风电系统中三电平背靠背双pwm变流器拓扑，与两电平双pwm变流器相比，功率器件和电容增加了一倍，并额外增加了箝位二极管;直流侧电容由两个完全一样的电容串联组成，电容的中点作为变换器的箝位点，由网侧变换器保持直流侧两个电容的电压均衡。这种结构在风电中的应用目前已经比较成熟，对其的研究很多，主要集中在控制策略的优化上[11-12]。目前，世界范围内从事大功率风力发电用变流器和高压变频器研制的一些公司，都有多电平的产品方案;abb用于风力发电的变流器如acs1000，整流器采用12脉冲二极管整流，逆变器采用三电平npc结构，器件采用igct;siemens也有相似的应用，功率器件采用高压igbt;法国alstom公司采用飞跨电容型四电平拓扑，功率器件采用igbt，另外还基于igct开发出了飞跨电容型五电平变频器。

　　4 国外直驱风电产品及应用

　　直驱风力发电技术是近年发展起来的先进技术，技术已经比较成熟，是未来风电技术的发展方向，目前国外生产直驱风电产品的几大厂家有enercon、ge、abb、siemens等。

　　enercon公司直驱风电机组采用电励磁同步发电机，直驱环形发电机，无齿轮箱，采用enercon变流器;其中e70额定功率为2300kw，转速范围为6~21.5r/min，e82额定功率为2000kw，转速范围为6~19.5r/min。enercon风电机组当电网出现问题时，可以保持并网，如果需要，当故障出现时风电机组还能通过输送无功功率，实现支持电网电压的功能，在故障被修复、电网电压已经恢复后，风电机组立刻恢复供电;文献[13]提供了enercon直驱同步电机系统-e66的仿真和测试结果，传递到电网的短路电流值只取决于变流器系统的功率等级并且可以控制，提供了电网短路期间系统输出的有功功率曲线;风电机组在故障期间提供减少的功率输出，在故障消除后，立刻传送额定功率，剩余的发电机功率不能被传送到电网侧，由于故障及随之的电压跌落，被转化为附加电阻上的热能，因此，故障对发电机机械力矩的影响被降到最低。

　　abb可以提供客户定制的pmsg，功率范围为500~5000kva，极对数为4~60甚至更多，转速范围0~2000r/min，可以适用于陆上或海上风电，转子永磁材料采用钕铁硼(ndfeb)。abb提供低速、中速与高速永磁同步电机，低速电机对应无齿轮箱直驱应用，结构简单，可靠性高，维护量最少;中速电机对应半直驱应用，集成了低速齿轮箱，尺寸较小，维护量较少;高速电机类似于双馈电机，具有较小的尺寸，但是没有滑环，电机具有较少的维护量。multibridm5000海上风电机组使用pmsg与全功率变流器，额定输出功率为5.5mva，电机转速范围为58.6~146.9r/min，包含一级行星齿轮，变速比为1:9.92，变流器具有四象限运行功能，输出功率因数范围-0.9至0.9，变流器冷却方式为水冷，变流器总效率》97.5%;除此之外还有以下几个特别的控制特征：对电网故障的“穿越功能”，无功控制能力，网侧的“statcom功能”，持续和动态电压控制;电机侧变流器使用直接转矩控制，具有快速控制、鲁棒性、高可用性、高品质等优点。

　　ge风电的低电压穿越技术能使风电机组在主要的电网故障发生时保持并网并向电网输送无功功率，使风电机组能够满足和火力发电类似的传输可靠性标准。通过提高发电机组和控制设计，lvrt技术能使风电机组在出现严重电网扰动时可以不间断运行;windvar技术能够提高系统稳定性，在电网需要时快速向电网提供无功，减少电压崩溃的危险，降低电网解列的影响，lvrt和windvar功能可以较好地提高风电机组运行的可靠性，确保风电作为一个“好邻居”加入电网。通用电气是在低电压穿越与无功支持方面研究较早的公司，文献[14]中说明了一种风力涡轮发电机控制系统，包括在各个发电机附近相对较快的电压调整和在变电站处或风力发电的场级处相对较慢的整体无功功率调整，无功调节通常以风电场接入点电压水平为控制目标，利用风力发电机自身的无功能力达到控制电压的目的，单台风力涡轮发电机需要具备通过快速电压控制调节自身输出无功功率的功能，但是多台发电机均自行调节输出无功功率，可能加剧电压的波动，因此该专利中引入了场级无功功率调节来协调多台风力发电机的无功功率控制，获得更好的风电场电压控制效果。

　　从国外直驱风电产品及其应用来看，为适应新的电网规则对lvrt和无功支持的要求，都已将这些功能集成到其产品中，可见低电压穿越与无功支持已经成为大型风电机组必须具备的重要功能之一。

　　5 国内直驱风电产品及应用

　　目前国内从事永磁直驱风电产品研发与生产的企业正在增多，有新疆金风科技、湘电风能、合肥阳光、许继集团、北京科诺伟业和沈阳工业大学风能技术研究所等。国内直驱风电机组的技术来源主要有以下几类[15]：

　　(1)引进国外的设计图纸和技术，或者与国外技术公司联合设计，在国内进行制造和生产，如金风科技引进的1200kw、1500kw风电机组，目前已在国内批量生产和供货;

　　(2)购买国外成熟的风电技术，在国内进行许可生产;

　　(3)与国外公司合资，引进国外的成熟技术在国内进行生产，如湘电风能等公司;

　　(4)利用国内大学和研究机构自行设计的风电机组进行生产，如沈阳华创、北京科诺伟业等公司。以下对国内公司直驱风电产品进行介绍与说明。

　　新疆金风直驱风力发电机组采用直驱永磁同步发电机与igbt变流器，设计使用寿命20年。其中，金风82/1500kw，额定转速与转速范围为17.3(9-17.3)r/min，功率因数调节范围为-0.98至0.98可调，额定出力的功率因数≥0.98，额定输出电压690v，输出频率变化范围50±0.4hz;金风77/1500kw，额定转速与转速范围为17.3(9-19)r/min，功率因数调节范围为-0.95至0.95可调;金风70/1500kw，额定转速与转速范围为19(9-19)r/min，额定出力的功率因数≥0.98;金风1200kw，转速范围为11-20r/min，额定出力的功率因数≥0.98(可调节，可发无功)。

　　湘电风能的直驱风电机组采用永磁同步发电机(直驱-无齿轮箱)，具有效率高、系统可靠、维护简单、噪声小及上网电源质量好等明显优势。发电机是多极永磁发电机，直接安装在轮毂上，由永磁体提供转子励磁，所以不需要外励磁场，与带外励磁场的绕线转子比较，发电机的损耗可降低25%;定子外部装有冷却风扇，由空气冷却;发电机通有经过滤的干燥循环空气，保证了发电机内的温度均匀，当密封处稍有泄漏时，保证发电机的内部为正压，因此灰尘和盐雾不可能进入到发电机内。其中z72/1500kw在额定功率时的转速为18r/min，z72/2000kw在额定功率时的转速为23r/min，z82/2000kw在额定功率时的转速为19r/min。

　　北京科诺伟业科技有限公司的变速恒频风力发电机组变流器(直驱式)，采用先进的dsp控制和大功率变流技术，实现风电机组低转速变速运行，最大程度地吸收风能，主要应用于1mw、1.5mw、2.0mw直驱式变速恒频风电机组;具有以下功能特点：大功率变流技术，模块化并联技术，最大风能捕获技术，零冲击并网控制，无速度传感器控制技术和光纤隔离技术等。

　　合肥阳光电源全功率风力发电机组用变流器采用薄膜电容作为直流支撑电容，确保电容器20年寿命，具有四象限运行功能，确保风力机在低风速时多发电，模块化设计，安装维护方便，变流器冷却方式为风冷。其中wg850kfp，wg1500kfp和wg2000kfp，额定功率分别为850kw，1500kw和2000kw，额定功率下的效率≥97%，响应时间《15ms，电网电压690v(+10%~-20%)，电网频率47.5~51.5hz。

　　许继集团的fbl200系列风电机组变流器适用于2mw及以下直驱式风力发电系统，不仅适合于垂直轴风电机，而且也适用于水平轴风电机系统，变流器冷却方式为强制风能或水冷。输入交流线电压有效值范围：552v～828v(六相输入，两个三相绕组相位差30°)，输入交流电压频率范围：8~20hz;输出电压适应范围：(1±10%)690v，输出频率适应范围：(50±0.5)hz，输出额定有功功率：1.5mw，输出电流总畸变率：thd《5%，其中奇次谐波4%，偶次谐波2%。

　　沈阳工业大学风能技术研究所1.5mw直驱式、混合式变速恒频风电机组采用永磁同步电机与全功率igbt变流器，电机冷却方式为强制风冷，变流器冷却方式为水冷，具有四象限运行功能。其中sut70-1500d为直驱型，无齿轮箱，转速范围为12-20r/min;sut70-1500h为混合型，半直驱，使用一级行星齿轮箱，变速比为1:8，转速范围为80-160r/min。

　　国内直驱风电产品目前都还没有考虑低电压穿越功能，在性能与可靠性等方面与国外产品还有一定差距，目前我国还没有相关风电机组低电压运行的强制性要求，但是即将会有类似标准出台，也说明了研究直驱风电机组变流器及其低电压穿越技术具有一定的重要性与现实意义。

　　6 结束语

　　使用全功率变流器的直驱风力发电系统目前在国内的应用越来越多，但对其关键技术的研究起步较晚，技术水平目前与世界先进水平尚有较大差距;随着永磁材料价格的下降、永磁同步电机性能的提高以及风电机组单机容量的不断增大，永磁直驱风电系统在性能、可靠性和低电压穿越方面逐渐具有一定的优势，对其所涉及技术的研究在掌握永磁直驱风电系统自主知识产权、产业化方面具有非常重要的意义。