直驱永磁风力发电机低压交流变桨控制系统设计与应用研究

赵晶 成都阜特科技股份有限公司  610000
刘进 成都阜特科技股份有限公司  610000
作者简介：赵晶（1984—），男，四川攀枝花人，工程师，在职工程硕士，主要从事风力发电控制系统的设计研究。
          刘进（1984—），男，湖南郴州人，工学学士，主要从事风力发电控制系统的软件开发研究。
摘要：
　　本文结合直驱永磁同步风力发电机组控制系统的控制原理、载荷设计、机械设计等参数要求。采用低压交流变桨控制技术方案，从变桨控制架构设计、后备电源设计、配电架构设计等，实现风力发电机组变桨距控制系统的稳定、可靠运行。
关键词：永磁同步风力发电机  变速变桨距控制   低压交流控制

1永磁同步发电机简述
1.1直驱永磁发电机的原理概述 
永磁同步发电机转子上使用的是永磁材料励磁，没有励磁绕组，省去了励磁绕组的铜损耗；同时，发电机和风力机通过轴系直接耦合在轮毂上，由叶轮直接驱动发电，不需要齿轮箱等中间传动部件。永磁同步发电机经背靠背式全功率变频器系统与电网相连，通过变频器控制系统的作用，来实现风电机组的变速运行。
1.2直驱永磁发电机的优势介绍
尽管双馈发电机目前占据着市场的绝大部分份额，它的缺点却是不容忽视的。很多中外风电设备制造企业和运营企业，经过多年的艰辛运营不免发现，双馈电机的升速齿轮箱不但效率低，而且故障率高，维修困难，其费用占整个风电设备的比例高达12.9%之多。而直驱式永磁同步发电机免齿轮箱，免转子励磁的特点，则良好地解决了这个问题。特别是直驱永磁发电机具有的优越的低电压穿越能力，为电网的友好运行和未来风电机组的大面积并网，提供了良好的基础。
　　1.3直驱永磁发电机的应用现状
　　直驱发电机在时间上和双馈发电机大约同时出现，但长时间以来相对后者一直发展较慢。但随着双馈发电机缺点的不断显现，和直驱永磁技术的不断改进，直驱永磁发电机获得了跨越式快速发展，在陆地项目中不但得到了广泛的应用，而且在海上机组中也开始崭露头角，大有迎头赶上并超过双馈发电机的势头。采用直驱永磁发电技术的代表企业有东方电气、金风科技及湘电风能等公司。

　　2变桨设计规范
　　2.1介绍
　　该风力发电机组为直驱永磁风力发电机组，额定2500kW。发电机组转速范围从7到14.5rpm，额定转速为10.9m/s，功率输出为2570KW.
变桨距控制系统的最重要目的是控制桨叶实现以下功能：
　　正常发电时，提供规范的发电机转速。
　　停机关闭程序时，提供规范的空气动力制动。
　　风力发电机组安全系统的重要组成部分。
　风机启动时，提供启动转矩。
　　2.2设计范围
　　每个独立的桨叶由以下组成部分：
　　桨叶
　　减速齿轮箱和变桨电机
　　后备电源
　　控制系统
　　驱动系统
　　电气和信号联系系统
　　传动设计参考以下要求：
　　电机功率、额定力矩参数
　　电机制动力矩参数
　　减速装置参数