变频器在双馈发电机试验台上的应用

1 引言
 
    能源和环境是人类面前所要解决的两大问题，以清洁、可再生能源为主的能源结构将成
为未来发展的必然。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴
量巨大，全球的风能约为 2.74×109mw，其中可利用的风能为 2×107mW，比地球上可开
发利用的水能总量还要大 10 倍。随着全球经济的发展，风能市场也迅速发展起来。近 5 年
来，世界风能市场每年都以 40%的速度增长。1997 年全世界风电装机容量只有 7000 兆瓦，
2007 年已有 9 万兆瓦。预计未来 20～25 年内，世界风能市场每年将递增 25%。随着技术进
步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。
 
    中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约 2.53

“

”

亿千瓦。 十五 期间，

中国的并网风电得到迅速发展。截至 2006 年 6 月全国风电装机总容量达到 126 万千瓦，位
居世界第 10 位，亚洲第 3 位，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之
一。
 
2 动力驱动系统方案
    
   （1）目前流行的变速变桨风力发电机组的动力驱动系统主要两种方案：
    ●一种是升速齿轮箱+绕线式异步电动机+双馈电力电子变换器；
    ●一种是无齿轮箱的直接驱动低速永磁发电机+全功率变频器。
   （2）还引入了两个具有很大的发展潜力折中方案
    ●一个是低速集成齿轮箱的永磁同步电机+全功率变频器；
    ●一个是高速齿轮箱的永磁同步电机+全功率变频器。
 
2.1 高速异步发电机双馈系统（dfig）
 
    高速异步发电机双馈系统主要由升速齿轮箱+绕线异步发电机+

 

双馈变频器构成。

    dfig 的特点是发电机转速可以在同步转速上、下两个方向变化。假设 1.5mW 风电机组的
叶轮转速变化范围约为 10～20r/min，通常令 15r/min 对应电机同步转速，这样转速变化
范围为电机额定转速的±1/3，相应变频器的功率只有电机功率的 1/3。若想简化机构采用
直接驱动，电机额定转速也应该为 15r/min，由于异步电机定子接在 50hz 电网，则要求电
机极对数为 200，很难实现，因此该方案必须使用升速齿轮箱，配高速异步电机（通常
采用 6 极电机）。升速齿轮箱速比大，负荷重，随风速变化波动大且频繁，造价高、易疲
劳损坏是该方案的主要缺点，另外绕线式异步电机的电刷和滑环也会影响系统的可靠性 ，
增加维护工作量。
 
2.2 低速永磁同步发电机直驱系统（pmdd）
 
    低速永磁同步发电机直驱系统主要由低速永磁同步发电机+全功率变频器构成。
    pmdd 的特点是没有升速齿轮箱，叶轮直接驱动低速发电机转子，消除了 dfig 的薄弱环
节，大大提高可靠性，降低维护工作量。由于发电机定子绕组不直接与电网相连，而是通
过变频器连接，因此电机额定转速可以降低，使电机极数减少至合理值。缺点是低速电机