同步風力發電機系統研究

李慶玲

(青島港灣職業技術學院,山東 青島 266404)

1 引言

風能清潔、可再生，是未來生活中的理想能源，所以風力發電技術的開發在國內外受到廣泛關注。怎樣實現最大風能捕獲,提高風電機組的效率是熱點話題。對于并網發電的風力發電機組，雙饋異步發電機和永磁同步發電機是主要發電機機型[1]。風力發電機的勵磁單元，可給同步風力發電機的勵磁繞組提供勵磁電流[2]。對于需要勵磁系統的同步發電機而言，如何優化它的勵磁系統，使之更加適用風力發電場，是這一領域急需要解決的問題。

2 風力發電機組成

風力發電機組撲捉風動能，將它轉換成機械動能，進而轉換成電能。發電機是風電機組中很關鍵的組成部分之一[4]。典型風力發電機組如圖1所示，主要系統部件包括三葉片、發電機、全功率變流器、變槳及主控等。

圖1 典型風力發電機組成

3 同步發電機的勵磁

同步發電機的勵磁系統，無論采用自勵系統還是他勵系統,均是通過調節發電機勵磁繞組兩端的勵磁電壓,進而影響發電機的電動勢[5],達到穩定端電壓的目的。典型的帶自勵整流勵磁系統直驅同步發電并網系統如圖2所示，交流電經過功率器件轉變為直流后供給同步發電機轉子勵磁繞組。

圖2 直驅同步風力發電機并網系統

改進后的勵磁單元是在直驅風力同步發電系統全功率變流器上附加一個勵磁單元，此勵磁單元輸入端連接于變流器中間直流環節，輸出經平波電抗連供給同步發電機勵磁繞組[3]。此勵磁單元不再需要單獨的供電部分，因此減少了功率器件的應用，提高了勵磁系統可靠性。勵磁單元還可根據同步發電機的不同運行狀態調節勵磁電流輸出，使勵磁磁場可調。改進勵磁方案后直驅同步發電系統如圖3所示。

圖3 改進直驅同步風力發電機并網系統

4 勵磁單元驗證

勵磁單元接入變流器，進行了變流器控制系統的基本調試，及帶實際同步風力發電機連接測試[6]。圖4為調試現場變頻器機組，勵磁單元及同步發電機。

圖4 變頻器、勵磁單元、風機聯調

測試系統參數：

同步風力發電機參數：額定功率2200kW,額定電壓690V，額定勵磁電流58A，最大勵磁電流85A。

系統測試項目：

軟件控制啟/停機流程。

額定勵磁電流下，測量同步發電機轉子側勵磁回路入口電壓波形及du/dt值。

額定勵磁電流下，檢測輸出勵磁電流波形及出電流輸出動態特性即響應時間。

逐步改變轉子勵磁電流，觀測同步發電機定、轉子電壓電流等特征參數

從與同步發電機連接的實際測試結果來看，輸出勵磁電流紋波低于2%的設計指標，端電壓du/dt值滿足小于1200V/us的要求。

表1 勵磁單元實測數據

5 結論

變流器系統加了勵磁單元，雖然增大全功率變流器的體積、制造成本，但與原始的發電機勵磁系統相比，降低了勵磁系統成本，可靠性得以提高。因此，帶有勵磁單元的全功率變流器，電勵磁同步發電機，二者組成的直驅風力同步發電系統，設計優化，性能良好，在變速恒頻風力發電領域將有更好的前景。