【摘要】采用永磁材料制作转子磁极的同步发电机已经成为风电机组实现大容量化的发展方向。但它本身具有一个固有的特点，即转动惯量较小，而且不能实施励磁控制。 在它并网时，任何引起电压跌落或骤降故障，都可能使它失去同步和断开与电网的连接。 为了解决在它并网时的同步稳定性问题，就不能采用常规的分析方法 来研究。 必须采用动态系统研究， 以便确定它的并网能力、低电压穿越能力、电压调节、控制要求、在偏离额定频率时的运行稳定性等。经过动态模拟仿真研究以后证明，在增加转动惯量、减小电抗、装设静止同步补偿器、采用电压源变流器等各种并网方案的对比、优化中 ，唯一能够满足国际标准要求的，就是采用背靠背式变频器 的控制技术。
       【关键词】  永磁转子； 风电机组； 并网方案；

       近年来永磁材料的发展不断取得新的进步。从早期的铝镍钴（Al Ni Co），发展到铁锶（Fe Sr）、钐钴（Sm Co）、钕铁硼（Nd Fe B）。钕铁硼的单位体积能量高达240 kJ /  m3 ，是原来永磁材料的6倍。采用钐钴永磁体制造的大型同步发电机在十几年前就已经达到1  MW。而高能量钕铁硼永磁材料的发明、发展和在风力发电设备上的成功应用， 已经使大型风力发电机的单机容量达到5  MW 以上。当今世界 ，采用永磁材料制作转子磁极的同步发电机已经成为风力发电机组实现大容量化的发展方向。
       根据国际标准化机构（ISO ）的规定， 发电机的并网， 必须具备一定的低电压穿越能力， 以保证发电机在输电系统电压突然降低之后，仍能保持同步。 对发电机提出要求的这种低电压穿越能力，至少包括了下述两方面的指标：特定的电压等级 ，和持续的一段时间。 为了满足这种要求，进行了动态系统模拟实验，对电力系统进行了动态分析，并对发电机的参数（如：转动惯量、发电机电抗和时间常数等）进行了优化设计 ，评价了各种可以用来弥补永磁式转子励磁不足的电压源型变流器的稳定性控制技术。 为了满足国际标准要求， 还提供了并网方案的优化和改进方法。
       1    永磁式的优点
       钕铁硼永磁体材料具有很高的比能。 其磁导率通常为 1.05。 它的去磁曲线表明：磁性材料的特性取决于温度。 当它的温度超过最大允许值时 ， 就可能会导致永磁体材料的可逆或不可逆失磁。磁极的工作点，设计在 0.6 ~ 0,8  T  范围内。 永磁体典型的设计温度为 80 ℃， 最高温度为 90  ℃ （包括正常和 非正常工况下 ）。 鉴于磁场强度取决于温度， 所以发电机的感应电压便受到温度变化的影响。  相对与磁通密度和磁场强度的永磁体材料的温度系数，分别为  0.09 % / ℃ 和  0.61 % / ℃。 因此， 当永磁体的温度降低时 ，永磁同步发电机的内电势就比较高。
新型永磁转子同步发电机的优点如下：
       （1）励磁电压恒定--------永磁体内的电势保持恒定不变，因为它取决于永磁体的几何形状和尺寸；（2）转动惯量较小-------包括风力机透平转轮和永磁式转子在内的转动部分的转动惯量只有 0.1 ~ 0.4  s ；（3）同步电抗很低-------只是常规同步发电机的40 % ~ 50 % ；（4）瞬态电抗为0 ， 因为没有励磁绕组；（4）次瞬态电抗也小--------只是 15 % ~ 35 % ；（5）永磁体内电势-------为额定电压的 100 % ~ 130 % ；（6）纵轴电抗与其横轴电抗， 两者相等 ； （7）无功功率控制--------因为发出的无功功率，取决于发电机的端电压与恒定的永磁体内电势之差， 只要调节发电机的端电压， 就可以调节无功功率输出 ； （8）电机感应电压---------它与发电机转速呈线性关系； （9）装有阻尼绕组--------可以使发电机能够承受反向电流 ， 并防止短路工况下的局部去磁； （10）它是一种鲁棒性能好、维护成本低、工作效率高的发电机。
       2    动态系统研究
       永磁式发电机具有一个本身固有的特点，即转动惯量较小，而且不能实施励磁控制。因此， 在它并网时，任何引起电压跌落或骤降故障，都可能使它失去同步和断开与电网的连接。 为了解决在它并网时的同步稳定性问题， 就不能采用常规的分析方法 来研究。 必须采用动态系统研究， 以便确定它的并网能力、低电压穿越能力、电压调节、控制要求、在偏离额定频率时的运行稳定性等。
       对于相对较弱的地区性电网来说， 发电设备必须满足该地区关于维持电压， 和运行可靠性方面的要求。 按照地区性电力系统标准化机构关于发电 和负载联网标准的规定，  发电机的电压、频率和电力质量，必须维持在可以接受的极限范围内 。而且还要求：在电力系统发生故障， 并导致升压变压器高压侧的电压降低至 0.15 p.u. 、 而且持续 625 s 期间， 发电机应仍能保持工作。为了提高永磁式同步发电机的运行稳定性， 在改善其动态性能的前提下 ，对它的设计参数（如：转动惯量、发电机电抗和时间常数等）进行了优化， 并在采用电压源型变流器的基础上， 对各种稳定性控制措施， 进行了对比分析。
       所研究的风力发电机容量为 2.5  MW 。  其转子采用钕铁硼永磁体材料 ，根据发电机有功功率的输出和转子的极数， 采用了不同的永磁体，以保证电压波形能够满足国际电工委员会IEC标准中， 对全谐波畸变率的限制方面的要求。
       这种发电机的转子装有由“阻尼环”和阻尼条连接而构成的笼形阻尼绕组，采用螺钉固定在转子磁轭上的阻尼条， 位于永磁体之间。 这种结构发电机的特点是， 能够承受高达 10 % 的负序电流， 完全符合 IEC  和美国电气工程师协会 IEEE标准中 对同步发电机提出的要求。传统的发电机磁场电流通过滑环时引起与电流平方值成正比的焦耳损耗，采用永磁体磁场不存在这个问题。由于损耗很低，发热很小，也不需要冷却。在设计过程中特别注重了磁路的优化问题，包括磁路的尺寸设计，以避免永磁体的去磁。装设阻尼绕组的另一个优点 ，就是可以防止短路工况下 永磁体的局部去磁。
       3    维持电压稳定
       在空载情况下，这种 发电机的端电压，取决于定子绕组和转子永磁体的几何形状和尺寸大小。 根据在机组上测量的空载时的线电压谐波频谱分析结果表明， 线电压的基波百分比为 100 % 时， 其谐波次数为一次谐波。 测量的电压畸变率， 要比IEC的规定（＜ 5 % ）和 IEEE 的规定低得多。 基波百分比为 1 % 时，只有5次和7次谐波， 而其它谐波次数（0 ~ 30 次）的基波百分比全部 ＜ 0.1  % 。
在额定电压和额定功率时， 这种发电机的设计功率因数接近与1.0 。 它向电网提供的或从电网吸收的无功功率， 取决于下述3个因素：（1）公共连接点的电压；（2）风力透平机的负载 ；（3）永磁体的温度。 为了保持公连接点处负载的恒定和电压的恒定， 发电机会向所连接的电网提供一定数量的无功功率 。如果风力透平机的负载恒定， 而公共连接点处的电压降低 ，这种发电机还能提供额外的无功功率， 以便维持电压的稳定性。 这是它本身固有的一个优点 。
       4    并网方案优化
       为了提高永磁式同步发电机的动态稳定性， 通过全面的动态仿真研究， 对它的动态性能进行了分析，以便满足标准中有关低电压穿越能力的要求。  进行仿真研究时采用的仿真模型与常规的同步发电机数学模型相似， 唯一不同的是，励磁电流可以假设为常数。 因此在进行时域仿真研究时， 便将发电机励磁电压和励磁电流看作是常数 。按照标准规定的低电压穿越能力， 在公共连接点处的电压降落为额定电压的 15 %、 持续时间为 625  ms。 在模拟三相故障 时 ，采用阻抗的方法， 使公共连接点处的电压下降了 15 % 。
       4.1   增加转动惯量
       如果不采取优化参数等正确的措施， 这种发电机的响应将出现不稳定性。 所以必须改变发电机的设计参数。根据发电机的转速偏差相对于故障清除持续时间的响应曲线，在不采取其它措施的情况下， 只要使其转动惯量增加一倍， 并使其电 抗减小 20 % ， 就可使发电机的转速偏差， 从 0.9 （p.u. ）降低到（故障清除持续时间为 0.5 s 时的） ± 0。0 5 （p.u. ） 。虽然这种方案可以提高这种发电机的稳定性， 但是不能满足国际标准化机构关于低电压穿越能力的要求。
       4.2   静止式补偿器
       第二种方案是装设静止式补偿器的稳定性控制方法， 就是在发电机组汇流母线上，连接多个静止同步补偿器。  除了使转动惯量加倍以外， 如果再装设2台（2×50  MVA）或4台（4×25  MVA）的静止同步补偿器 便可以使发电机的转速偏差（p.u. ）从故障持续时间达到 0.5 s 时，由± 0。0 5 （p.u. ）开始， 经历2 s 以后，便 逐渐减小到 0 。 研究结果表明， 只是增加转动惯量和装设多个静止同步补偿器， 仍然是不可能满足标准中关于低电压穿越能力（在公共连接点处的电压降落为额定电压的 15 % 、持续时间为 625  ms）的要求。
       4.3    背靠背变频器
       之所以选择电压源型变流器控制技术作为第三种方案， 是因为它具有快速和灵活地维持动态电压不变的特点， 而这种特点却恰恰是永磁式同步发电机所不具备的。这种控制技术的 具体功能如下：（1）维持这种变流器两端电压的恒定；（2）实施在它两侧全部功率输送的控制； （3）使发动机与电网在电气上解耦  （电网一侧的故障只能导致发电机转速增加； 故障清除以后， 便自动恢复转速）。
       采用这种背靠背式变频器方案的目的， 是为了在稳态工况下， 使永磁式同步发电机发出的电力完全输出给电网； 而在故障工况下， 能使发电机与电网在电气上解耦。研究结果证明：如果有8台发电机组 并网， 在公共连接点上 可以装设8×25 MVA 静止同步补偿器，就能确保稳定性。 但是，它的持续时间不能超过170  ms。 然而， 采用背靠背式变频器方案，在转速偏差为 0.37 p.u. 情况下，却可以使故障清除时间达到625 ms；同时仍能确保稳定性能。同样，可以使发电机在转速偏差甚至高到0.47  p.u. 时，其清除故障（使转速偏差减小到 0 ）的时间却能达到 800 ms 。很明显，这些都能满足国际标准的要求。
       研究结果认为：唯一的解决方案，就是采用电压源型变流器控制技术， 进行这种发电机的稳定性控制 。 在公共联网点上连接两个用电容耦合的背靠背式变频器 ，这种电压源型变流器控制技术应用的最大特点是：具有很大的快速性、灵活性和可控性，能够维持动态电压不变， 能使永磁式同步发电机的并网， 满足所有电力系统有关可靠性方面的标准要求。
       5    结论
       （1）定子实现超高压、转子实现永磁化的现代化永磁转子风电机组，最大容量在5  MW 以上，成功运行已有十多年。它是大型风电设备的发展方向。
       （2）经过动态模拟仿真研究以后证明，在增加转动惯量、减小电抗、装设静止同步补偿器、采用电压源变流器等各种并网方案的对比、优化中 ，唯一能够满足国际标准要求的，就是采用背靠背式变频器 的控制技术。
       （3）并网已经成为影响风电设备大量开发和应用的世界性重要课题。今后还有不少（ 如次级频率调节、发电调度和供电安全性等）问题有待进一步研究、解决， 仍有许多工作要做。