同步发电机在风力发电中的应用

1.同步发电机与变速恒频风力发电机组

对于大、中容量的发电机，同步发电机的性能明显优于感应发电机，主要表现在以下几个方面：

1）感应发电机必须从电网吸收感性无功电流来励磁，加重了电网在无功功率上的负担，如果采用电力电容器作功率因数补偿，则需要经过精心的计算，否则存在发生谐振的可能，那是相当危险的；而同步发电机可以通过调节励磁来调节功率因数，功率因数可以等于1，也可以超前，甚至可以专门做调相机使用。

2）感应发电机的效率较低，除了励磁损耗较大（励磁电流占额定电流的20％以上）之外，转差率较大时转子的转差损耗很大（近似与转差率成比例）；而同步发电机的励磁损耗很小（占额定功率的1％～2％左右），特别是采用永磁体励磁时更是省去了励磁损耗，使发电机的效率明显提高。

3）作为并网运行的发电机，感应发电机供电质量的可控性不如同步发电机。例如，感应发电机的励磁电流不能调节，而同步发电机通过调节励磁电流可以实现电压调节、无功功率调节、强励等功能。

同步发电机在水轮发电机、汽轮发电机、核能发电等领域获得了广泛应用。然而，早期应用于风力发电时却并不理想。同步发电机直接并网运行时，转速必须严格保持在同步转速，否则就会引起发电机的电磁振荡甚至失步，同步发电机的并网技术也比感应发电机的要求严格得多。然而，由于风速的随机性，使发电机轴上输入的机械转矩很不稳定，风轮的巨大惯性也使发电机的恒速恒频控制十分困难，不仅并网后经常发生无功振荡和失步等事故，就是并网本身都很难满足并网条件的要求，而常发生较大的冲击甚至并网失败。这就是长时间以来，风力发电中很少应用同步发电机的原因。

近年来，随着电力电子技术和计算机控制技术的快速发展，全功率控制型风力发电机组开始使用同步发电机，特别是直驱式永磁同步发电机的应用日趋广泛。直驱式永磁同步发电机的特点是多极数、低转速，风力发电机组省去了中间变速机构，由风力机直接驱动发电机运行。采用变桨距技术可以使桨叶和风力发电机组的受力情况大为改善，然而，要想使变桨距控制的响应速度能够有效地跟踪风速的变化是困难的。为了使机组转速能够快速跟踪风速的变化，以便实行最佳叶尖速比控制，必须对发电机实施直接转矩控制。与全功率控制的感应发电机组一样，只需在同步发电机与电网之间接入变流器，使发电机与电网之间解耦，就允许发电机变速运行了。变速恒频控制的直驱式永磁同步发电机组的构成如图7-25所示。

图7-25 变速恒频控制的直驱式永磁同步发电机组

2.基本结构

同步发电机的定子结构与感应发电机基本相同，读者请参见第三节图7-9的定子部分。同步发电机的转子结构与感应发电机转子有明显不同，其基本结构如图7-26所示。

图7-26 同步发电机的结构特点

按励磁方式的不同，同步发电机可分为电励磁同步发电机和永磁同步发电机。电励磁同步发电机又可按转子磁极结构的不同分为隐极式和凸极式两类，如图7-27所示。隐极式转子为圆柱形，气隙均匀，励磁绕组为同心式绕组，嵌放在转子铁心槽内，在大齿部分形成磁极。凸极式转子因有明显凸出的磁极而得名，气隙一般不均匀，磁极中心线处的气隙最小，两个极尖处的气隙最大，励磁绕组为集中式绕组，直接套装在磁极铁心的极身上。高转速发电机宜采用隐极式磁极结构，低转速发电机一般采用凸极式磁极结构。

图7-27 电励磁同步发电机的基本磁极结构

a）隐极式 b）凸极式

永磁同步电机的永磁体磁极主要有表面式磁极结构（见图7-28）和内置式磁极结构（见图7-29）两类。所谓“表面式”就是将永磁体贴敷在转子铁心表面，构成磁极，永磁体的磁化方向为径向。所谓“内置式”是指将永磁体置于转子铁心内部预先开好的槽中，并构成磁极，永磁体的磁化方向可以为径向，也可以为切向，还可以采用既有径向、又有切向的所谓混合式磁极结构。表面式磁极结构主要适用于低转速的场合，例如直驱式风力发电机等，当应用于较高转速时，为了保证永磁体在磁力和离心力的作用下足够牢固和不发生位移，需要采取必要的紧固措施，图7-28（c）为加装了非磁性套筒的表面式磁极结构，有时也可采用无纬带绑扎等紧固措施。内置式磁路结构主要适用于高转速的场合，目前主要应用于各种类型的永磁同步电动机。

图7-28 表面式永磁磁极结构

a）凸出式 b）凹入式 c）有非磁性保护套筒

混合励磁同步发电机是一种既有电励磁磁极、又有永磁磁极的同步发电机，可以通过调节励磁电流来调节其主磁场的大小，因此，可以用来调节发电机的无功功率，也在一定程度上提高了发电机的过载能力。混合励磁同步发电机的磁极结构比较复杂，目前仍处于研究阶段。

图7-29 内置式永磁磁极结构

a）径向式 b）切向式 c）混合式 1—转轴 2—空气隔磁槽 3—永磁体 4—阻尼导条(www.xing528.com)

低速永磁同步发电机的极数很多，可以考虑采用反装式结构，将电枢铁心和电枢绕组作为内定子，而永磁体磁极作为外转子。反装式结构可以使永磁磁极的安排空间有了一定程度的缓解。这时，由于电动机轴静止不动，也在一定程度上提高了发电机运行的可靠性。把风轮的轮毂与外转子设计成一体化结构，还可以使风力发电机组的结构更为紧凑合理。

采用低速永磁同步发电机的风力发电机组一般采用全功率变速恒频控制，由于发电机已经与电网解耦，发电机的转速不再受电网频率的约束，这就给发电机的设计增加了很大的自由度。例如，当风力发电机组采用直驱式结构，机组的额定转速为15r/min，如果将永磁同步发电机的额定频率设定为10Hz时，发电机的极数仅为80极，可以说，这是一个在技术上容易通过的方案。

由于低速永磁同步发电机的极数很多，而电枢圆周的尺寸有限，使电枢的槽数受到了限制，因此，低速同步发电机常采用分数槽绕组，即其每极每相槽数q为

式中 Q₁——电枢总槽数；

p——极对数；

m——相数。

3.运行原理与特性

同步发电机与感应发电机结构上的差别是由于他们的工作原理不同。感应电机（也称异步电机）的转子转速总是异于定子旋转磁场转速，这样一来，转子导体才能“切割”旋转磁场，发生电磁感应，产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量转换。这也是“异步电机”名称的由来。

同步电机则不同，为了使转子转速与定子旋转磁场的转速相同（同步），转子磁极必须是与定子具有相同极数的独立磁极。对于电励磁转子，这个磁极由励磁绕组中通入励磁电流产生；对于永磁转子，则直接由永磁体产生。

因此，同步发电机是一种双边激励的发电机。其定子（电枢）绕组接到电网以后，定子（电枢）电流流过定子绕组产生定子磁动势，并建立起定子（电枢）旋转磁场；转子励磁绕组中通入直流励磁电流建立转子主磁场，或者由永磁体直接产生主磁场。由于转子以同步速旋转，转子主磁场也将以同步速旋转。发电机稳定运行时，定、转子旋转磁场均以同步速旋转，二者是相对静止的，依靠定、转子磁极之间的磁拉力产生电磁转矩，传递电磁功率。

定、转子的N、S极之间的磁拉力是定子合成磁场B与转子主磁场B₀之间相互作用产生的。当发电机空载时，B与B₀的轴线重合，电磁功率为0；当发电机负载后，B与B₀的轴线之间就被拉开了一个角度，从而产生了电磁功率。负载越大，B与B₀的轴线之间被拉开的角度越大，同步发电机从机械功率转换成电功率的这部分功率就越大，这部分转换功率称为同步发电机的电磁功率P_e，与电磁功率P_e对应的转矩称为电磁转矩T_e。B与B₀之间的夹角称为功率角θ，是同步发电机的一个重要参数。发电机正常运行时，电磁功率P_e随功率角θ的增大而增大。然而，同步发电机电磁功率的增加将有一定的限度，超过了这个限度，发电机的工作就变得不稳定，甚至引起发电机失步。

隐极式同步发电机的等效电路如图7-30所示。与等效电路对应的相量图如图7-31所示。

图7-30 同步发电机的等效电路

图7-31 同步发电机的相量图

以上二图中，为励磁电动势，对永磁发电机也称为永磁电动势，是转子主磁场在电枢绕组中感应的电动势；为发电机的输出相电压；为发电机的输出相电流；X_s为同步电抗，是同步发电机的一个重要参数，它综合表征了同步发电机稳态运行时的电枢磁场效应（X_a）和电枢漏磁场效应（X_σ），并且有X_s=X_a+X_σ；R_a为电枢绕组的每相电阻。

前面介绍的电磁功率P_e随功率角θ变化的关系称为功角特性，是同步发电机并网运行时的重要特性。隐极式同步发电机的功角特性可表示成式（7-50）。对应的特性曲线如图7-32所示。

图7-32 隐极同步发电机的功角特性

可以看出，同步发电机的电磁功率P_e与功率角θ的正弦成比例变化，在θ=90°时，电磁功率出现最大值P_em，显然。进一步的分析可知，当θ＜90°时发电机的运行是稳定的，功率角θ越小，运行越稳定，功率角θ越接近90°，运行的稳定性越差；当θ＞90°时，发电机的运行变得不稳定，可能导致发电机失去同步。为了保证发电机运行的稳定性，一般取额定运行时的功率角约在30°～40°范围内，以便在任何情况下，发电机都能运行在稳定运行区域并具有足够的过载能力。

对于具有图7-28a所示磁极结构的永磁同步发电机，采用钕铁硼永磁材料（磁导率近似等于1）时，从电枢磁场的角度看，相当于隐极式磁极结构；而图7-28b和c则应看作为凸极式磁极结构，由于其交轴磁导大于直轴磁导，因此，交轴电枢反应电抗将大于直轴电枢反应电抗。显然，这种磁极结构上的差异将对发电机的性能产生影响。