不同整流系統對直驅永磁風力發電機的性能影響及選型評估
劉萬平1，趙祥1，任修明2，張新麗1
（1新疆金風科技股份有限公司，新疆烏魯木齊830026 ； 2中船重工71 2研究所，湖北武漢430064）
摘要：在設計兆瓦級永磁直驅風力發電機組時，為降低整個機艙的重量，必須使多極永磁同步發電機具有較高的功率密度，這就需要其具有較高的電感值。因此，發電機出Lj側整流器類型的選擇對發電機的功率、效率，以及風力發電機組的產能具有非常大的影響一對電機模型及常用的變流系統控制策略進行了介紹；再以金風科技股份有限公刊l 200 kW直驅永磁同步發電機為實例，對不同整流系統下，電機磁鏈、電流、功率等參數的特陛曲線進行了理論分析及對比說明，詳細闡述了二極管整流、串聯電容補償二極管整流、并聯電容補償二極管整流及晶體管主動整流這四種整流系統對發電機運行眭能的影響；最后，針對不同整流系統的控制策略及其電機的設計特點列四種整流系統的選型方案進行了綜合評估。
關鍵詞：永磁直驅；風力發電機；整流系統
中圖分類號：TM315文獻標識碼：A文章編號
0 引 言
永磁電機由于具有效率高、免維護等優點，加上與全功率變流器組合盾對電網優越的動態調節特性，近10年來被越來越多地應用于大功率、并網型風力發電機組【l-4】。根據轉速的不同，應用永磁技術的風力發電機組又可分為低速直驅永磁風力發電機組和混合傳動風力發電機組。相對傳統的技術，低速直驅永磁風力發電機組省去了維護量大、故障率高的齒輪箱，其多極永磁電機由葉輪直接驅動。這種技術主要適用于3 MW以內的風力發電機組，當功率太大時，電機過大的直徑將使其制造、運輸及吊裝成本大幅上升；而混合傳動永
磁風力發電機組通過增加齒輪箱，提高了電機的轉速，使得電機的尺寸減小，同時又保持了永磁電機特有的技術優勢。因此，在近年新涌現出來的多兆瓦級近海風機中，許多廠家均使用了這種概念。永磁電機采用永磁體勵磁，如果忽略溫度對永磁體的影響，轉子勵磁磁勢保持恒定。因此，當一臺電機設計完成以后，如忽略磁場飽和對電樞電感的影響，則電機氣隙磁場的改變只能通過調節交、直軸電流的分量來實現，并達到調節電機輸出特性的目的。永磁電機交、直軸電流的調節措施，與其所配套使用的變流器中整流器的類型有直接關系。對于基于二極管的被動整流，電機的輸出電流矢量不能通過變流器控制，只能通過調節并聯或串聯在電機與變流器之間的電容器來達到。如已大量投入商業運行的金風科技l 200kW及1 500 kW直驅風力發電機組，有部分機型就采用了并聯電容補償的二極管整流方式；而基于快速關斷器件的主動整流變流器，可對電機電流矢量進行更為快速、靈活的控制，使電機性能達到****限度地利用。
本文以金風科技1 200 kW永磁同步發電機為例，對其采用的不同變流系統對電機性能的影響進行了綜合的分析和對比，并根據分析結果對電機與不同變流系統的匹配方案進行了評估，對根據電機設計特點如何進行變流系統選型具有一定的指導意義。
1 發電機的電氣模型和參數
本文所分析的發電機為金風科技1 200 kW直驅永磁同步發電機，該機組為商業機組，其電機參數為同類產品的典型參數。為了分析方便，所有的發電機叁數均被轉化為標幺值，基準參數分別為額定的電壓、電流和頻率。
根據上述基準值的定義，可以推算出所研究的1 200 kW發電機的定子電感L為0.45，工作溫度下的定子電阻為0. 024。電機的一相等值電路圖和向量圖分別如圖1、2所示。
金風科技1 200 kW永磁同步發電機轉子為面貼式結構，轉子磁場接近正弦波，因此轉子磁場在定子繞組中的感應電動勢E可表示為：
在負載狀態下，定子繞組電流t產生磁場，其中一部分磁場通過定子齒、定子軛、氣隙、磁鋼和轉子軛閉合，稱為電樞反應磁場，其產生的電抗稱為電樞反應電抗Xsh；另一部分僅通過定子齒、槽和定子軛，稱為漏磁場，其產生的電抗稱為漏電抗xσ對于面貼式轉子結構，由于永磁體的相對磁
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