永磁风力发电机全功率变流器

& 最小，这种情况称为负载时的正常励磁。在正常励磁基础 当 cos ϕ =1 时，定子的电流 I
上增加励磁电流，称为过励。在正常励磁基础上较少励磁电流，称为欠励。无论增大和减小 励磁电流，都将使定子电流增大。发电机输出的无功功率可通过 Q = mUI sin ϕ 描述。在正
& 落后于端电 常励磁时，发电机只输出有功功率。过励时，电枢反应为去磁作用，定子电流 I & ，发电机除了向电网发出有功功率外，还向电网发出感性无功功率。欠励时，电枢反 压U & 超前于端电压 U & ，发电机除了向电网发出有功功率外，还向电网 应为增磁作用，定子电流 I
第五章 全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略 全功率变流器风电机组的工作原理及控制策略 5.1 全功率变流器风电机组的工作原理 ....................................................................................... 2 5.1.1 全功率变流器风电机组传动链形式 ............................................................................ 2 5.1.2 同步发电机.................................................................................................................... 2 5.1.3 永磁同步风力发电机结构及特点 ................................................................................ 5 5.1.4 电励磁同步风力发电机结构及特点 .......................................................................... 15 5.2 全功率变流器风电机组变流器 ............................................................................................. 16 5.2.1 电机侧变流器控制策略 ............................................................................................. 17 5.2.1 电网侧变流器控制策略 ............................................................................................. 19
在定子铁芯的槽内嵌放着定子绕组，绕组是按三相规律分布，与外定子绕组类似。
外转子如同一个桶套在定子外侧，由导磁良好的铁质材料制成，在“桶”的内侧固定有 永久磁铁做成的磁极，这种结构的优点是磁极固定较容易，不会因为离心力而脱落。
按多极发电机的原理，磁极的布置如下图
把外转子转轴安装在定子机座的轴承上
在实际风力机制造中往往把外转子磁軛直接与风轮轮毂（包括轮毂外罩）制成一体，使 结构更紧凑。 （2）直驱永磁中间定子盘式风力发电机结构 直驱永磁盘式风力发电机的定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向交替排列， 这里介绍中间定子盘式发电机。 下图是一个盘式定子。 由于盘式发电机通过定子绕组的的磁 力线是轴向走向，在电机旋转时是绕轴运行的，所以定子的硅钢片是绕制的，在两侧有绕组 的嵌线槽。
di usd = Rs isd + Ld sd − ω Lq isq dt u = R i + L disq + ω L i + ωψ sq s sq q d sd dt
其中， usd 、 usq 分别为定子 d、q 轴电压分量； isd 、 isq 分别为定子 d、q 轴电路分量； Rs 为 定子电阻； Ld 、 Lq 分别为定子 d、q 轴自感； ω 为转子角速度；ψ 为转子永磁体的磁链最 大值。 电磁转矩方程为
在定子线槽内分布着定子绕组，按三相布置连接。
定子铁芯固定在机座的支架上
盘式转子由磁軛与永久磁铁组成，下图为左面转子图
下图为磁极的分布图
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右面转子结构与左面转子结构相同， 只是反个面而已。 下图为左右转子间的磁力线走向 图。
为更清楚的看清磁力线走向，下图为稍侧面的磁力线走向图。
把转子与定子摆在一起
5.1 全功率变流器风电机组的工作原理
5.1.1 全功率变流器风电机组传动链形式 全功率变流器风电机组传动链形式 随着现代风电机组的额定功率呈现上升趋势， 风轮桨叶长度逐渐增加而转速降低。 例如： 额定功率为 5MW 的风电机组桨叶长度超过 60 米，转子额定转速为 10rpm 左右。当发电机 为两对极时，为了使 5MW 风力发电机通过交流方式直接与额定频率为 50Hz 的电网相连， 机械齿轮箱变速比应为 150。齿轮箱变速比的增加，给兆瓦级风电机组变速箱的设计和制造 提出了挑战。风电机组功率及变速箱变速比增大时，其尺寸、重量及摩擦磨损也在增加。作 为另外一种选择，风力发电机可以采用全功率变流器以 AC/DC/AC 的方式与电网相连。 全功率变流器是一种由直流环节连接两组电力电子变换器组成的背靠背变频系统。 这两 个变频器分别为电网侧变换器和发电机侧变换器。 发电机侧变换器接受感应发电机产生的有 功功率， 并将功率通过直流环节送往电网侧变换器。 发电机侧变换器也用来通过感应发电机 的定子端对感应发电机励磁。 电网侧变换器接受通过直流环节输送来的有功功率， 并将其送 到电网，即它平衡了直流环节两侧的电压。根据所选的控制策略，电网侧变换器也用来控制 功率因数或支持电网电压。
发出容性无功功率。 5.1.3 5.1.3 永磁同步风力发电机结构及特点 永磁同步风力发电机结构及特点 （1）直驱式外转子永磁风力发电机结构 外转子电机的特点是定子在靠轴中间不动，转子在外围旋转。在下图中展示了内定子 的构造，内定子由硅钢片叠成，与常见的外定子相反，其线圈槽是开在铁芯圆周的外侧。
内定子铁芯通过定子的支撑体固定在底座上， 在底座上有转子轴承孔用来安装外转子的 转轴。
角。因此，增大功率角意味着必须增加来自原动机的输入功率，使转子加速，从而使功率角 增大，从而增大发电机的有功功率。但需注意，θ < 90 °区域是发电机稳定工作范围，因此 功率角的增加不能超过稳定极限 90°，如果再增加来自原动机的输入功率，则无法建立新 的平衡，电机转速将继续上升而失速。 无功功率的调节 接到电网上的负载，除了阻性负载外，还有感性负载和容性负载，所以一个电力系统除 了要能提供负载有功功率外， 还要有提供和调节无功功率的能力。 通过改变同步发电机的励 磁电流，可调节同步发动机输出的无功功率。
θ
图 攻角特性 有功功率的调节 由式 PM = UI cos ϕ =
UE0 sin θ 可知，对于一台并联到无限大电网上的同步发电机，如果 Xc
想增加发电机的输出有功功率，当励磁不作调节时，就必须增大功率角 θ 。功率角的物理意
& 超前于端 义可以从时间和空间两个角度来进行理解。对于发电机而言， θ 是励磁电动势 E 0 & 的时间角；从空间上， θ 可看作转子磁极轴线与电枢等效合成磁极轴线之间的空间 电压 U
5.1.2 5.1.2 同步发电机 发电系统使用的同步发电机绝大部分是三相同步发电机。 同步发电机主要包括定子和转 子两部分。定子是同步发电机产生感应电动势的部件，由定子铁芯、三相电枢绕组和起支撑 及固定作用的机座组成。转子的作用是产生一个强磁场，并且可以由励磁绕组进行调节，主 要包括转子铁心、励磁绕组、滑环等。同步发电机的励磁系统一般分为两类，一类是用直流 发电机作为励磁电源的直流励磁系统， 另一类是用整流装置将交流变成直流后供给励磁的整 流励磁系统。发电机容量大时，一般采用整流励磁系统。同步发电机是一种转子转速与电枢 电动势频率之间保持严格不变关系的交流电机。 同步发电机的转子基木上是一个大的电磁铁。 磁极有凸极和隐极两种结构。 凸极转子结
f1=
np 60
由于我国电网电源频率为 50Hz，发电机的转速必须保持恒定。
& 为发电机空载时定子绕 根据电机理论，图给出隐极同步发电机的等效电路。图中， E 0
& 为负载电流， U & 为一相端电压， R 为定子绕组一相的电阻， X 为 组一相感应的电动势， I c
同步电机的同步电抗。通常定子绕组的电阻比同步电抗小很多，因此可以忽略。图为忽略电
把右定子固定在右端盖中，左右端盖扣紧固定，发电机就组装好了，下图为发电机外观 图。
下图为中间转子盘式永磁发电机的剖面图
下图为侧视的剖面图。
5.1.4 5.1.4 电励磁同步风力发电机结构及特点 电励磁同步发电机(Electrically Excited Synchronous Generator，EESG)，通常在转子侧进 行直流励磁。使用 EESG 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 EESG 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。 永磁同步电机的数学模型 定子电压方程为
在定子线槽内分布着定子绕组，按三相布置，单个绕组呈扇形状。
定子有两个，右定子与左定子结构一样，只是反个面而已。
转子由永久磁铁组成， 磁铁固定在非导磁材料制成的转子支架上， 下图是转子的结构图。
每块磁铁的磁极在转子的两面，
下图表示了磁力线在转子与定子间的走向，
下图是转子与定子的布置图
先把左定子固定在左端盖中，再装上转子，
构和加工比较简单，制造成本低。中小容量电机一般采用凸极以降低成本；对大容量、高转 速原动机， 高速旋转的发电机转子将承受很大的离心力， 采用隐极可以更好地固定励磁绕组。
同步发电机转子结构示意图 当转子励磁绕组中流过直流电流时， 产生磁极磁场或称为励磁磁场。 原动机拖动转子旋 转时，主磁场同转子一起旋转，就得到一个机械旋转磁场。该磁场对定子发生相对运动，在 定子绕组中感应出三相对称的交流电势。由于定子三相对称绕组在空间上相差 120°，因此 三相电势也在时间上相差 120°电角度。 这个交流电势的频率取决于电机的极对数 p 和转子 转速 n ，即
功功率
PM = mUI cos ϕ
其中， m 为发电机的相数。 经推导，有功功率表达式为
PM = UI cos ϕ =
UE0 sin θ Xc
对于并联于无限大电网上的同步发电机，发电机的端电压 U 即为电网电压，保持不变， 在恒定励磁电流条件下， 根据上式可知， 隐极式同步发电机输出的电磁功率与攻角 θ 的正弦 成正比。 这可以通过下图所示的攻角特性曲线描述。当 U 和E 0 不变时，由 PM = f (θ ) 画出的曲线 称为攻角特性曲线。当 θ = 90 °时，隐极发电机输出的电功率最大。
安装上左右端盖，下图为组装好的永磁中间定子盘式发电机。
下图为永磁中间定子盘式发电机的剖面图。
下图为侧视的剖面图，为看清内部结构隐藏了右转子。
（3）直驱永磁中间转子盘式风力发电机结构 盘式永磁直驱式风力发电机的定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向交替排 列，这里介绍中间转子盘式发电机。下图是一个盘式定子，由于盘式发电机的通过定子绕组 的磁力线是轴向走向，在电机旋转时是绕轴运行的，所以定子的硅钢片是绕制的，在一侧有 绕组的嵌线槽。
& 和I & 之间的夹角 ϕ 叫做功率因数角。 E & 和U & 之间的 阻后隐极同步发电机简化的相量图。 U 0
夹角 θ 叫做功率角。
R
& I
jX C
& E 0
& jIX C
& E 0
& U
& U
θ ϕ
& I
隐极同步发电机的等效电路与简化的向量图 攻角特性： 攻角特性： 在忽略电枢电阻的情况下， 根据电机学理论， 同步发电机输出的电磁功率等于输出的有