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离网型永磁同步风力发电机安全运行相关问题的研究

离网型永磁同步风力发电机安全运行相关问题的研究 摘要：近些年来，风力发电凭借其绿色、普遍等优点得到了较快的发展，特别是在沿海山区等电网不能达到的地方，离网型风力发电机的运用给当地的居民解决的用电问题。但是风速的不稳定性给离网型风力发电机的负载带来了冲击，减小了系统的寿命。本文摆脱了传统思想中通过控制电路控制输出功率的方法，尝试通过对电机本体的优化设计来抑制输出功率随转速的上升，从而兼顾系统的复杂程度、成本和可靠性。 关键词：离网;永磁同步风力发电机;功率限制 0、引言 随着经济和技术的不断发展，进入21世纪以来，人们对能源的需求日趋增长，而传统的一次性能源，如煤、石油、天然气等不但产生污染，而且面临着枯竭[1]。环境和能源问题已经成为当今人类生存发展所面临的最紧迫的问题。在节约使用现有能源的同时，世界各国正在努力寻求新的主流能源以面对日益严重的能源枯竭和环境污染问题。除了技术相对比较成熟、目前广泛应用的水能和核能(核裂变)以外，风能、生物能等新型能源的利用也渐渐受到人们的重视。 中国幅员辽阔，海岸线长，风能资源丰富。其中东南沿海及其附近岛屿地区风能资源丰富，新疆北部、内蒙古、甘肃北部也是我国风能资源丰富的地区，黑龙江、吉林东部、河北北部及辽东半岛的风能资源也较好，青藏高原北部风能也比较丰富，但由于青藏高原海拔高，空气密度小，所以有效风能密度较低。结合国内外机构组织对中国风能资源的普查结果及2006年气象中心对我国风能资源的评价，我国陆上风能技术可开发量6亿～10亿千瓦，加上近海区域总量有7亿～12亿千瓦，储藏量十分丰富[2]。除能源储存量丰富的原因之外，结合我国特殊国情，我国同其他国家相比较发展风力发电更具有紧迫性和必要性。我国人口众多，人口分布面积广，电网难以完全覆盖。据统计，到2005年我国还有700万户，2800万人没有用上电[3]。而这些人大部分居住在西部的山区、农牧区和沿海岛屿上，解决这些人的生活用电问题迫在眉睫。 前述700万没有用上电的家庭主要分散分布在中国西部省份的边远地区，以及东部沿海的一些岛屿上，通过常规电网延伸办法为这些远距离、低负荷的用户供电成本很大，收益却很小。况且这些人口大部分的经济能力较差，需要向他们提供廉价的能源。这一切都能通过离网型风力发电良好结解决。 本文在研究户用型的小功率直驱式永磁同步风力发电机的基础上，研究发电机工作时磁场的分布情况，理论分析找出了在临界速度以上使风力发电机保证恒功率输出特性的设计方法，并将理论付诸于实践，验证理论的正确性。 1、传统的功率控制思想及本课题的思想 直驱式永磁同步发电机的转轴直接与风轮相连，其转速完全取决于风轮转速，当风轮转速变化时，必定引起发电机的电压和输出功率的波动，特别是当转速超过额定转速继续升高到一个较高的水平时，将会对发电机本身和蓄电池负载造成一定的损害。所以永磁同步风力发电机的功率控制问题一直是一个热门问题，国内外很多学者都对此控制方法进行过研究，并取得了一定的成果。 当风速超过额定转速并不断升高时，传统的抑制输出功率及电压上升的方法主要有如下两种： (1)当风速升高时，通过风机系统的特殊设计来抑制功率上升。一种思路叫做定桨距控制，这种思路中桨叶与轮毅刚性连接，桨距角保持不变。随着风速增加，攻角增大，桨翼变形，造成叶片失速，限制了功率增加。这种方式没有功率反馈系统和变桨距执行机构，整机结构简单、部件少、造价低，具有较高的安全系数。但这种控制方式依赖于叶片独特的翼型结构，叶片结构复杂，失速动态特性不易控制。另一种思路叫做变桨距控制，风轮上添加了桨距变动机构，当风速升高时，此机构发挥作用，增大风机桨矩角，使得叶片攻角减小以降低风能捕获。这种方式是根据风叶转速的反馈加以控制的，所以控制准确，效果好。但是，由于变桨距执行机构多采用液压传动或电动伺服机构，故执行速度较慢。而且，增加的桨矩执行和控制机构增大了整个系统的成本，降低了可靠性。也有人提出将两种思路组合构成主动失速控制，这里不再赘述。 (2)当风速升高时，通过改变发电机定子电流来抑制功率上升。随着转速增加，当发电机端电压或输出功率达到限制时，保持交轴电流不变，适当的增大直轴的去磁分量，通过弱磁控制发电机的输出功率和输出电压。 通过对以上两种方法的分析，我们看到了一个共性，就是无论哪种方法都需要在风电系统中加入额外的控制或者执行机构，这增加了系统的成本和复杂性，降低了可靠性。本文试图通过永磁同步风力发电机本身的高磁密优化设计，增加电机工作的饱和度，从而实现在直驱式风力发电机转速升高时限制输出功率和电压和上升。 2、限制功率 随转速上升的方案及原理众所周知，在空载情况下，永磁体产生的磁通会根据电机的磁路结构均匀的分布在电机内部。而在负载情况下，由于负载