同步风力发电机系统研究

李庆玲

(青岛港湾职业技术学院,山东 青岛 266404)

1 引言

风能清洁、可再生，是未来生活中的理想能源，所以风力发电技术的开发在国内外受到广泛关注。怎样实现最大风能捕获,提高风电机组的效率是热点话题。对于并网发电的风力发电机组，双馈异步发电机和永磁同步发电机是主要发电机机型[1]。风力发电机的励磁单元，可给同步风力发电机的励磁绕组提供励磁电流[2]。对于需要励磁系统的同步发电机而言，如何优化它的励磁系统，使之更加适用风力发电场，是这一领域急需要解决的问题。

2 风力发电机组成

风力发电机组扑捉风动能，将它转换成机械动能，进而转换成电能。发电机是风电机组中很关键的组成部分之一[4]。典型风力发电机组如图1所示，主要系统部件包括三叶片、发电机、全功率变流器、变桨及主控等。

图1 典型风力发电机组成

3 同步发电机的励磁

同步发电机的励磁系统，无论采用自励系统还是他励系统,均是通过调节发电机励磁绕组两端的励磁电压,进而影响发电机的电动势[5],达到稳定端电压的目的。典型的带自励整流励磁系统直驱同步发电并网系统如图2所示，交流电经过功率器件转变为直流后供给同步发电机转子励磁绕组。

图2 直驱同步风力发电机并网系统

改进后的励磁单元是在直驱风力同步发电系统全功率变流器上附加一个励磁单元，此励磁单元输入端连接于变流器中间直流环节，输出经平波电抗连供给同步发电机励磁绕组[3]。此励磁单元不再需要单独的供电部分，因此减少了功率器件的应用，提高了励磁系统可靠性。励磁单元还可根据同步发电机的不同运行状态调节励磁电流输出，使励磁磁场可调。改进励磁方案后直驱同步发电系统如图3所示。

图3 改进直驱同步风力发电机并网系统

4 励磁单元验证

励磁单元接入变流器，进行了变流器控制系统的基本调试，及带实际同步风力发电机连接测试[6]。图4为调试现场变频器机组，励磁单元及同步发电机。

图4 变频器、励磁单元、风机联调

测试系统参数：

同步风力发电机参数：额定功率2200kW,额定电压690V，额定励磁电流58A，最大励磁电流85A。

系统测试项目：

软件控制启/停机流程。

额定励磁电流下，测量同步发电机转子侧励磁回路入口电压波形及du/dt值。

额定励磁电流下，检测输出励磁电流波形及出电流输出动态特性即响应时间。

逐步改变转子励磁电流，观测同步发电机定、转子电压电流等特征参数

从与同步发电机连接的实际测试结果来看，输出励磁电流纹波低于2%的设计指标，端电压du/dt值满足小于1200V/us的要求。

表1 励磁单元实测数据

5 结论

变流器系统加了励磁单元，虽然增大全功率变流器的体积、制造成本，但与原始的发电机励磁系统相比，降低了励磁系统成本，可靠性得以提高。因此，带有励磁单元的全功率变流器，电励磁同步发电机，二者组成的直驱风力同步发电系统，设计优化，性能良好，在变速恒频风力发电领域将有更好的前景。