基于横磁通发电机的永磁直驱风力发电系统

包广清， 郑文鹏， 毛开富

(1．兰州理工大学电信学院，甘肃 兰州 730050;2．中国电子科技集团公司第21研究所，上海 200233)

0 引言

随着化石能源的日益枯竭与生态环境的不断恶化，风力发电以其无污染和可再生性，受到世界各国的重视。近年来国际风电技术取得了突飞猛进地发展:单机容量不断提高，兆瓦级风电机组实现商品化;为提高风电机组的运行效率，实现最大风能捕获的新方案、新技术得到深入研究和广泛应用;风力机的变桨距功率调节取代了定桨距调节，发电机的变速恒频运行取代了传统的恒速恒频运行;运行控制上实现了风电场的实时监控、远程测控及计算机群控，提高了分布或并网运行的稳定性和电能质量。然而，我国风电技术与世界先进技术相比还存在一定差距，因此，进行有自主知识产权的新型风电机组的理论与试验研究十分必要。

在风电系统的机电能量转换过程中，发电机及其控制系统是整个风电机组的核心，它不仅对系统的性能、效率和供电质量有决定性作用，而且也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。随着电机材料、加工工艺及其控制水平的不断提高，新的电机拓扑结构与控制方式层出不穷，并逐步打破了传统电机的设计方式和运行模式，在风力发电机组得到推广应用［1－4］。

目前，直驱式变速恒频风电系统是当今国际风电领域的主导技术之一，对直驱发电机的设计制造和运行控制主要以常规同步发电机为主，技术与性能上很难取得突破。横磁通永磁电机是20世纪80年代由德国学者H．Weh教授提出的一种新型自控式永磁同步电机，在电动车、潜水艇等电力驱动领域得到初步应用［5］，近年来，在海洋波能发电、风力发电等可再生能源发电方面的应用也引起了广泛关注［6］。其模块化结构、高转矩密度、低速、无刷化特性非常适宜在直驱式风力发电领域推广，该研究在国内外均处于起步阶段，国外文献多从发电机单一角度开展讨论，缺乏对横磁通永磁风电系统的全面分析和综合研究，而国内尚未有相关成果报道。

因此，本文提出一种以多相聚磁式横磁通永磁发电机(transverse flux permanent magnet generator，TFPG)为核心的新型变速恒频风力发电系统，研究适合于该电机模块化结构的多相整流器拓扑和直流母线斩波控制方案，并根据风力机输出特性，确定基于最佳电磁转矩特性的最大功率追踪策略;通过SVPWM控制的网侧逆变器设计，实现发电机定子与电网用户之间的“柔性”连接和电能的“绿色”变换;并搭建了10kVA动态模拟试验系统，通过实验测试结果证明该系统拓扑与控制策略的正确性和有效性，为今后推广应用该新型直驱式风力发电机组奠定理论与实验基础。

1 TFPG原理

1.1 TFPG与传统电机比较

TFPG是一种新型永磁同步电机，从图1(a)所示的一对极结构可以看出，TFPG的电枢绕组与主磁路在结构上完全解耦，可以根据需要调整磁路尺寸和线圈窗口来确定电机的电磁负荷［7］。为满足风电机组有限的安装空间和重量要求，提高发电机的转矩密度将是一种有效途径。与传统电机相比，TFPG的突出优点就是具有较高的转矩密度，下面进行对比分析。

根据电机学原理，忽略磁路饱和及漏磁等非线性因素，电机产生的平均电磁转矩Ta为

式中:Bδ为气隙磁密;I绕组电流安匝数;l为导体有效长度;Da为转子直径。

为了便于直接从电机出力大小进行比较，这里定义一个极下单位气隙截面的电磁转矩为TFPG转矩密度Tds

式中:w为电机的定子齿距;ws为定子齿宽;Bt为齿部磁密;Ss为槽面积;J为导体电流密度;τp为转子极距。则有

式(4)中电流密度J和齿部磁密Bt分别取决于电机的冷却方式和铁磁材料的饱和程度，因此当电机结构确定后，只有通过增加齿宽ws和槽面积Ss来实现转矩密度的提高。从图1(b)看到，由于传统径向磁通电机(radial flux permanent magnet generator，RFPG)的定子齿和槽在同一截面内，因此在定子外径确定的情况下，安置绕组所需的槽面积与导磁所需的齿宽存在矛盾，如果增加槽面积Ss，定子齿宽ws就会减小，反之亦然。对于图1(c)所示的轴向磁通电机(axial flux permanent magnet generator，AFPG)，虽然其绕组位置与径向磁通电机有所不同，但二者均存在磁路与电路争夺同一位置空间的不足之处，因此很难从根本上进一步提高转矩密度。对TFPG电机而言，环向电枢绕组与主磁路在结构上相对独立，不存在增加气隙磁通密度与绕组电流密度之间的相互制约关系，可以根据需要来调节电磁负荷，从本质上解决了提高电机转矩密度的难题。

图1 TFPG与传统永磁发电机结构比较Fig．1 Configuration comparison between TFPG，RFPG and AFPG

自定位转矩是永磁电机产生振动和噪声的原因之一［8］，在直驱式风电机组中，发电机的自定位转矩将引起叶片的转速脉动和额外损耗，使风能转换系统的利用率降低［9－10］。根据前期研究结果［7］，本文采用如图2所示3相TFPG结构设计，经3相6单体模块合成后，部分自定位转矩相互抵消，降低了转矩脉动［11］。对于大功率 TFPG，电机整体由多个小功率模块组合而成，自定位转矩还可以进一步降低，当某一模块出现故障时可单独退出，不影响其他模块的发电运行，具有较强的容错能力。

图2 三相六单体TFPG结构及其电气相位关系Fig．2 Configuration of three-phase TFPG

1.2 TFPG数学建模

由于TFPG各相之间没有电磁耦合，绕组互感为零，参考图3所示TFPG一相等效电路。

图3 TFPG一相等效电路Fig．3 One-phase equivalent circuit of TFPG

建立n相TFPG电压平衡方程为

忽略绕组损耗，电磁功率为

转矩平衡方程为:

式中:J是转动惯量;Kw是阻力系数;TL是负载转矩;ω是转速。忽略磁路饱和，反电势E与ω满足E=KTω，即Tm=KTωi/ω =KTi，这里KT是由电机结构参数决定的电势系数，只要控制TFPG转矩与转速符合最佳转矩曲线关系即可实现最大风能跟踪。

从以上分析看出，由于TFPG不存在换相问题，各相可以独立分析与控制，避免了传统发电机在解耦控制过程中复杂的坐标变换，极大的简化了控制算法，节省了计算内存。

2 机侧变流器控制

基于TFPG的直驱式风力发电系统有内转子型和外转子型两种拓扑，本文采用如图4所示的内转子结构，即风力机和永磁体转子同轴安装，定子绕组通过全功率变流器与电网连接。这种结构的TFPG定子绕组和铁心通风散热好，转子外形尺寸小，节省永磁材料。

图4 内转子型TFPG直驱式风电机组结构Fig．4 Direct-driven wind power configuration with inner rotor TFPG

2.1 多相整流电路拓扑

TFPG的多相结构与各相独立特点决定其功率变换器适宜采用模块化拓扑，图5是发电机侧不控整流电路拓扑，每相定子输出由二极管H桥整流后馈送到公共直流母线，为减少直流输出纹波，各相整流电路采用串联结构。

根据傅氏级数分解，多相整流电压udc1可表示为

已知单相H整流桥脉波数m=2，则整流平均电压分量Udc10为

根据TFPG定转子错位设计规律，n相绕组间的电气相位差为2π/n，因此多相整流电压udc1的谐波分量为

式(13)表明多相整流电路输出电压中含有n=Nk(k=1，2，3，…)次谐波，随着相数N的增加，最低次谐波的频率随之增加，其幅值随之减小。

图5 发电机侧多相整流电路拓扑Fig．5 TFPG-connected multiphase rectifier

2.2 升压斩波控制

如图6所示，TFPG和整流器的组合等效于一台直流发电机，发电机产生与转速成正比的电动势，这里引入Boost升压斩波电路，其控制系统由转矩外环和电流内环组成，忽略铁耗、摩擦损耗及杂散损耗，按T*m=Topt控制发电机电磁转矩，通过调节电流Idc1实现风力机最大功率点跟踪。同时该升压环节解决了低风速情况下网侧逆变器输入电压偏低时逆变器运行特性差的缺点，因为当风速较低时，PWM逆变器输入电压很低，为实现并网，必须提高逆变器的调制深度，这将导致逆变器运行效率低，功率开关利用率低，峰值电流高及传导损耗大等一系列问题［12－13］。通过升压环节将逆变器直流母线电压提高，使逆变器达到恰当的调制深度，既提高了运行效率，又减小了系统损耗。

图6 横磁通永磁同步风力发电机最大功率追踪控制Fig．6 Maximum power point tracking system

另外，传统永磁同步发电机矢量控制中需要精确的转子磁极位置信号来实现磁场定向，其控制精度对传感器的分辨率具有强依赖性。基于观测器、模型参考自适应等转子位置估算的无位置传感器控制策略虽然省去了传感器，但存在计算复杂、误差较大等缺陷［14－15］。本文TFPG采用了最佳转矩－转速跟踪控制，PI调节器参数设计有成熟的工程设计方法，同时又不需要转子磁场定向的坐标变换处理，避免了高成本的转子位置角检测，只需常规转速测量即可完成控制任务，既简化了控制结构又降低了系统成本。

3 网侧逆变器控制

直驱式永磁风力发电系统需要全功率变换器，这里对网侧逆变器采用电网电压定向的矢量控制，其输出有功和无功功率为

在d轴电网电压定向的同步旋转坐标系中，ugq=0，由式(14)可知，调节电流矢量的d、q轴分量就可以实现逆变器有功和无功的解耦控制。网侧逆变器输出电压的dq轴分量为

式中:ugd、ugq分别是电网电压的 dq 轴分量;igd、igq分别是逆变器输出电流的dq轴分量;L是电网侧电感;R是线路等效电阻;ωg是电网频率。图7是网侧控制框图，具体原理可以参考相关文献，这里不再赘述［16－17］。

图7 网侧变换器控制框图Fig．7 Control scheme of the grid-connected converter

4 试验研究

根据以上分析，搭建了额定容量为10 kVA的实验系统，主要包括上位机监控系统、主控系统、模拟风力机的拖动变频器及拖动电机、10 kW永磁发电机TFPG和直驱变流器。变流器额定电压380 V，额定电流15 A，最大连续操作直流电压750 V，额定连续直流电压700 V。通过主控系统给定变频器转速，变频器控制拖动电机旋转来模拟风力机;直驱机组变流器由网侧变流器和机侧变流器两部分构成。机侧变流器连接发电机定子，网侧变流器连接电网，通过全功率逆变向电网送电，发电机产生幅值、频率均不恒定的交流电，通过机侧变流器整流为直流电，经直流支撑电容稳压后输送至网侧变流器，控制系统通过SVPWM控制将直流电转换为频率幅值稳定的交流电，馈入电网。图8(a)是系统启动过程，图8(b)、图8(c)是额定运行时的相关波形测量。由图8(a)看出，网侧变流器首先给母线电容预充电，直流母线电压逐步上升，网侧变流器在启动时的冲击较小，当转速达到机组切入转速时，机侧变流器启动，电流冲击较小，由于是空载启动，定子电流为零，此时发电机没有输出电功率。图8(b)和8(c)的波形表明系统在额定条件下能够平稳运行，通过电能质量分析仪CA8335对系统馈入电网的电能进行测试，结果显示变流器网侧电流THD=2.8% ＜5%，功率因数0.98，完全符合入网要求［18］。

图8 系统试验波形测量结果Fig．8 The measurement results of test rig

5 结语

由于TFPG结构较为复杂，它在小型化时不具备传统发电机的尺寸优势，更适宜采用大功率多极多相结构形式。随着电力半导体器件和铁磁材料的发展，在直驱式永磁风力发电系统中，占成本比例相对较高的全功率变换器和发电机性价比不断提高，这种省去齿轮箱的直驱式风力发电系统具有广阔的应用前景。搭建的10 kVA样机试验系统已经初步验证了TFPG系统设计和控制策略的正确性和有效性，为了进一步提高系统的电网适应性，今后还需要对电网故障条件下该风电机组的低电压穿越能力等方面开展研究。

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