直驱式风力发电机组概述

直驱式永磁同步风力发电机概述永磁同步发电机是一种以永磁体进行励磁的同步电机，应用于风力发电系统，称为永磁同步风力发电机。

永磁同步风力发电机一般不用齿轮箱，而将风力机主轴与低速多极同步发电机直接连接，为“直驱式”，所以称为直驱式永磁同步风力发电机，以下本章除特指外均简称为永磁同步发电机。

一、永磁同步发电机的特点1.与传统电励磁同步发电机比较同步发电机是一种应用广泛的交流电机，其显著特点是转子转速n与定子电流频率f之间具有固定不变的关系，即n=n0=60f/p，其中n为同步转速，p为极对数。

现代社会中使用的交流电能几乎全部由同步发电机产生。

永磁同步发电机是一种结构特殊的同步发电机，它与传统的电励磁同步发电机的主要区别在于：其主磁场由永磁体产生，而不是由励磁绕组产生。

与普通同步发电机相比，永磁同步发电机具有以下特点：（1）省去了励磁绕组、磁极铁芯和电刷-集电环结构，结构简单紧凑，可靠性高，免维护。

（2）不需要励磁电源，没有励磁绕组损耗，效率高。

（3）采用稀土永磁材料励磁，气隙磁密较高，功率密度高，体积小，质量轻。

（4）直轴电枢反应电抗小，因而固有电压调整率比电励磁同步发电机小。

（5）永磁磁场难以调节，因此永磁同步发电机制成后难以通过调节励磁的方法调节输出电压和无功功率（普通同步发电机可以通过调节励磁电流方便地调节输出电压和无功功率）。

（6）永磁同步发电机通常采用钕铁硼或铁氧体永磁，永磁体的温度系数较高，输出电压随环境温度的变化而变化，导致输出电压偏离额定电压，且难以调节。

（7）永磁体存在退磁的可能。

目前，永磁同步发电机的应用领域非常广泛，如航空航天用主发电机、大型火电站用副励磁机、风力发电、余热发电、移动式电源、备用电源、车用发电机等都广泛使用各种类型的永磁同步发电机，永磁同步发电机在很多应用场合有逐步代替电励磁同步发电机的趋势。

2.与非直驱式双馈风力发电机比较虽然双馈风力发电机是目前应用最广泛的机型，但随着风力发电机组单机容量的增大，双馈型风力发电系统中齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出，于是不用齿轮箱而将风力机主轴与低速多极同步发电机直接连接的直驱式布局应运而生。

双馈式与直驱式风力发电机组介绍1、双馈式发电机组双馈式风力发电机组的叶轮通过多级齿轮增速箱驱动发电机,主要结构包括风轮、传动装置、发电机、变流器系统、控制系统等。

双馈式风力发电机组系统将齿轮箱传输到发电机主轴的机械能转化为电能,通过发电机定子、转子传送给电网。

发电机定子绕组直接与电网连接,转子绕组与频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的变流器相连。

变流器控制电机在亚同步与超同步转速下都保持发电状态。

在超同步发电时,通过定转子两个通道同时向电网馈送能量,这时变流器将直流侧能量馈送回电网。

在亚同步发电时,通过定子向电网馈送能量、转子吸收能量产生制动力矩使电机工作在发电状态,变流系统双向馈电,故称双馈技术。

双馈风力发电变速恒频机组示意图变流器通过对双馈异步风力发电机的转子进行励磁,使得双馈发电机的定子侧输出电压的幅值、频率与相位与电网相同,并且可根据需要进行有功与无功的独立控制。

变流器控制双馈异步风力发电机实现并网,减小并网冲击电流对电机与电网造成的不利影响。

提供多种通信接口,用户可通过这些接口方便的实现变流器与系统控制器及风场远程监控系统的集成控制。

提供实时监控功能,用户可以实时监控风机变流器运行状态。

变流器采用三相电压型交-直-交双向变流器技术。

在发电机的转子侧变流器实现定子磁场定向矢量控制策略,电网侧变流器实现电网电压定向矢量控制策略;系统具有输入输出功率因数可调、自动软并网与最大功率点跟踪控制功能。

功率模块采用高开关频率的IGBT功率器件,保证良好的输出波形,改善双馈异步发电机的运行状态与输出电能质量。

这种电压型交-直-交变流器的双馈异步发电机励磁控制系统,实现了基于风机最大功率点跟踪的发电机有功与无功的解耦控制,就是目前双馈异步风力发电机组的一个代表方向。

2、直驱式发电机组直驱式风力发电机组的风轮直接驱动发电机,主要由风轮、传动装置、发电机、变流器、控制系统等组成。

为了提高低速发电机效率,直驱式风力发电机组采用大幅度增加极对数(一般极数提高到100左右)来提高风能利用率,采用全功率变流器实现风力发电机的调速。

双馈、直驱、半驱风力发电机工作原理双馈、直驱和半驱风力发电机是目前常见的几种风力发电机构。

它们分别采用不同的工作原理来转换风能为电能，并在风力发电行业中得到广泛应用。

我们来了解一下双馈风力发电机的工作原理。

双馈风力发电机是一种采用异步发电机的结构，其转子由两部分组成：一个是固定子，另一个是转子。

风力通过叶片传递给转子，转子通过传动系统将机械能转化为电能。

在双馈风力发电机中，转子的定子通过拖动转子的磁场，使得风力发电机可以实现变频调速。

双馈风力发电机具有转矩平稳、响应速度快的优点，可以适应不同风速下的工作状态。

接下来，我们介绍一下直驱风力发电机的工作原理。

直驱风力发电机是一种采用永磁同步发电机的结构，其转子由永磁体构成。

风力通过叶片传递给转子，转子通过直接驱动发电机产生电能。

直驱风力发电机不需要传动系统，减少了能量转换的损失，提高了发电效率。

直驱风力发电机具有结构简单、体积小、维护成本低等优点，逐渐成为风力发电领域的主流技术。

我们来了解一下半驱动风力发电机的工作原理。

半驱动风力发电机是双馈风力发电机和直驱风力发电机的结合体，它采用了双馈发电机的转子结构和直驱发电机的永磁体。

风力通过叶片传递给转子，转子通过传动系统将机械能转化为电能。

半驱动风力发电机兼具双馈风力发电机和直驱风力发电机的优点，具有较高的发电效率和稳定性。

双馈、直驱和半驱风力发电机是目前常见的几种风力发电机构。

它们分别采用不同的工作原理来转换风能为电能，并在风力发电行业中发挥重要作用。

双馈风力发电机通过变频调速实现转矩平稳，响应速度快；直驱风力发电机通过永磁同步发电机实现高效发电；半驱动风力发电机兼具双馈和直驱的优点，具有较高的发电效率和稳定性。

随着风力发电技术的不断发展，这些风力发电机构将进一步完善和提升，为可持续能源的开发和利用做出更大贡献。

直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略一、本文概述随着全球能源需求的持续增长和环境保护的日益紧迫，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，正受到越来越多的关注。

直驱式永磁同步风力发电机（Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Wind Turbine Generator, DDPMSG）作为一种新型风力发电技术，以其高效率、高可靠性以及低维护成本等优点，逐渐成为风力发电领域的研究热点。

本文旨在对直驱式永磁同步风力发电机组的建模及其控制策略进行深入研究。

文章将介绍直驱式永磁同步风力发电机的基本结构和工作原理，为后续建模和控制策略的研究奠定基础。

接着，文章将详细阐述直驱式永磁同步风力发电机组的数学建模过程，包括机械部分、电气部分以及控制系统的数学模型，为后续控制策略的设计提供理论支持。

在控制策略方面，本文将重点研究直驱式永磁同步风力发电机组的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）控制和电网接入控制。

最大功率点跟踪控制旨在通过调整发电机组的运行参数，使风力发电机组在不同风速下都能保持最佳运行状态，从而最大化风能利用率。

电网接入控制则关注于如何确保发电机组在并网和孤岛运行模式下的稳定运行，以及如何在电网故障时实现安全可靠的解列。

本文还将探讨直驱式永磁同步风力发电机组的控制策略优化问题，以提高发电机组的运行效率和稳定性。

通过对控制策略进行优化设计，可以进一步减少风力发电机组的能量损失，提高风电场的整体经济效益。

本文将对直驱式永磁同步风力发电机组的建模及其控制策略进行总结，并展望未来的研究方向和应用前景。

通过本文的研究，可以为直驱式永磁同步风力发电机组的实际应用提供理论指导和技术支持，推动风力发电技术的持续发展和优化。

二、直驱式永磁同步风力发电机组的基本原理直驱式永磁同步风力发电机组（Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Wind Turbine Generator，简称DD-PMSG）是一种将风能直接转换为电能的装置，其基本原理基于风力驱动、机械传动、电磁感应和电力电子控制等多个方面。

直驱永磁风力发电系统概述摘要：在直驱永磁发电系统中，风速影响输出电压的幅值和频率，不能直接并网。

本文概述了一种控制方法，通过对逆变器的控制实现输出电压对电网电压的跟踪，达到并网要求；基于最大风能追踪控制原理，通过对变频器的调节控制改变风机转速，实现风力机最佳效率运行。

本文也简单讨论了风能的应用范围、经济性及未来发展前景。

关键词：风力发电；直驱永磁发电机；最大风能捕获；风能的应用和发展0引言可再生能源的开发和利用从七十年代开始进入飞速发展时期。

一是上世纪七十年代的石油危机后，经济和能源压力迫使人们寻找关于能源的新的解决途径，二是近十几年来基于化石燃料的传统能源体系引发的环境问题愈发严重，寻找新能源不仅关乎经济和能源需求，更关系着未来人类社会的前进方向。

如煤炭、石油、天然气等传统能源之所以能较早被作为能源广泛使用，一方面是储量相对丰富，更重要的原因是能源使用过程中输出稳定可靠，且较容易由一种能量形式（如热）转化成另一种能量形式（如电）而进行广泛传输。

而如今的新能源面临的最大问题就是能量的转化难、不可控、不稳定，因此新能源利用的关键之一就是采用更加精准的控制手段，提升能量利用效率。

本文试以较为常见的风能发电为例，简单阐述新能源应用中控制系统的作用。

1风力发电机控制系统目前存在的风力发电机组有恒速恒频和变速恒频两种类型。

恒速恒频风力发电机组无法有效地利用不同风速时的风能，而变速恒频风力发电机组可以在很大的风速范围内工作，更有效地利用风能，其中应用比较广泛的技术之一是直驱永磁风力发电系统。

根据最大风能追踪控制原理，当风力机浆叶不变时，对于一个特定的风速v，风力机只有运行在一个特定的转速ωm 下才会有最高的风能转换效率，要想追踪最大限度地获得风能，就必须在风速变化时及时调节风轮机的转速n（在直驱永磁风力发电系统中，即为发电机的转速），这就是变速恒频发电技术的主要思想。

通过变速恒频发电技术，理论上可以使风力发电机组在输出功率低于额定功率之前，输出最佳功率，效率最高。

直驱式风力发电机原理及发电机组概述二极三相交流发电机转速约每分钟3000转，四极三相交流发电机转速约每分钟1500转，而风力机转速较低，小型风力机转速约每分钟最多几百转，大中型风力机转速约每分钟几十转甚至十几转，必须通过齿轮箱增速才能带动发电机以额定转速旋转。

下图是一台采用齿轮箱增速的水平轴风力发电机组的结构示意图。

使用齿轮箱会降低风力机效率，齿轮箱是易损件，特别大功率高速齿轮箱磨损厉害、在风力机塔顶环境下维护保养都较困难。

不用齿轮箱用风力机浆叶直接带动发电机旋转发电是可行的，这必须采用专用的低转速发电机，称之为直驱式风力发电机。

近些年直驱式风力发电机已从小型风力发电机向大型风力发电机应用发展，国内具有自主知识产权的2MW永磁直驱风力发电机已研制成功，据报道目前国外最大的风力发电机组已达7MW，是直驱式发电机组。

低转速发电机都是多极结构，水轮发电机就是低速多极发电机，风力机用的直驱式发电机也有类似原理构造，一种多极内转子结构，只是要求在结构上更轻巧一些。

近些年高磁能永磁体技术发展很快，特别是稀土永磁材料钕铁硼在直驱式发电机中得到广泛应用。

采用永磁体技术的直驱式发电机结构简单、效率高。

永磁直驱式发电机在结构上主要有轴向与盘式结构两种，轴向结构又分为内转子、外转子等；盘式结构又分为中间转子、中间定子、多盘式等；还有开始流行的双凸极发电机与开关磁阻发电机。

下图是一个内转子直驱式风力发电机组的结构示意图。

其定子与普通三相交流发电机类似，转子由多个永久磁铁构成。

外转子永磁直驱式风力发电机的发电绕组在内定子上，绕组与普通三相交流发电机类似；转子在定子外侧，由多个永久磁铁与外磁軛构成，外转子与风轮轮毂安装成一体，一同旋转。

本栏有对外转子直驱式风力发电机的专门介绍，下图是一个外转子直驱式风力发电机组的结构示意图。

盘式永磁直驱式风力发电机的定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向排列，有中间转子、中间定子、多盘式等结构，本栏有对中间转子与中间定子直驱式风力发电机的专门介绍，下图是一个中间定子直驱盘式风力发电机组的结构示意图。

永磁同步风力发电系统的系统基本组成、工作原理、控制模式论述1.系统的基本组成：直驱式同步风力发电系统主要采用如下结构组成：风力机（这里概括为：叶片、轮毂、导航罩）、变桨机构、机舱、塔筒、偏航机构、永磁同步发电机、风速仪、风向标、变流器、风机总控系统等组成。

其中全功率变流器又可分为发电机侧整流器、直流环节和电网侧逆变器。

就空间位置而言，变流器和风机总控系统一般放在塔筒底部，其余主要部件均位于塔顶。

2.工作原理：系统中能量传递和转换路径为：风力机把捕获的流动空气的动能转换为机械能，直驱系统中的永磁同步发电机把风力机传递的机械能转换为频率和电压随风速变化而变化的不控电能，变流器把不控的电能转换为频率和电压与电网同步的可控电能并馈入电网，从而最终实现直驱系统的发电并网控制。

3.控制模式：风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。

它不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组运行进行控制。

而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。

风力发电控制系统的基本目标分为三个层次：分别为保证风力发电机组安全可靠运行，获取最大能量，提供良好的电力质量。

控制系统主要包括各种传感器、变距系统、运行主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。

具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、自动最大功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、自动解缆、并网和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控。

一、系统运行时控制：1、偏航系统控制：偏航系统的控制包括三个方面：自动对风、自动解缆和风轮保护。

1)自动对风正常运行时偏航控制系统自动对风，即当机舱偏离风向一定角度时，控制系统发出向左或向右调向的指令，机舱开始对风，当达到允许的误差范围内时，自动对风停止。

2)自动解缆当机舱向同一方向累计偏转2~3圈后，若此时风速小于风电机组启动风速且无功率输出，则停机，控制系统使机舱反方向旋转2~3圈解绕；若此时机组有功率输出，则暂不自动解绕；若机舱继续向同一方向偏转累计达3圈时，则控制停机，解绕；若因故障自动解绕未成功，在扭缆达4圈时，扭缆机械开关将动作，此时报告扭缆故障，自动停机，等待人工解缆操作。