开关磁阻电机在风力发电中的应用 香港理工大学 电力电子研究中心 Dept. of Electrical Engineering The Hong Kong Polytechnic University 开关磁阻电机在风力发电中的应用 香港理工大学 电力电子研究中心 …..Power the future http://www.ee.polyu.edu.hk Page1

电力电子研究中心主任 Prof. Eric Cheng郑家伟教授 Power conditioning Motor and drives Director of the Power Electronics Research Centre The centre: 14 academic staff members Formed by Dept. of EE and EIE Founded in Nov 2000 Areas: Power conditioning Motor and drives Energy storage power electronics High frequency power conversion Alternative energy Electric vehicle and transportation Prof. Eric Cheng郑家伟教授

Equipment and Research for Wind Power 研究装备及研究条件 Dept. of Electrical Engineering The Hong Kong Polytechnic University Equipment and Research for Wind Power 研究装备及研究条件 Largest Power Electronics Group in the region(此领域最大的电力电子研究团队) 30 Research Personnel(30个研究人员) 14 Academic staff(14个教师) $5 M consultancy project in 2008(2008年共有1000万咨询项目) $20M R&D funding in 2008(2008年共有研发资金2000万) Produces 45 Journal papers and 60 Conference papers in 2008(2008年发表45篇期刊文章及60篇会议论文) Supporting research for automotive: DC power conversion, Battery technology, Electrical system, Lighting, Motor technology, Actuation, Green energy(支持汽车领域的研究有:直流功率变换，蓄电池技术，电气系统，照明，电机技术，执行器，绿色能源) The team is well-known in the region for EV design(此团队熟悉电动汽车领域的设计) http://perc.polyu.edu.hk …..Power the future

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世界与中国风电发展对比 世界能源危机和环境气候危机 Page3

世界与中国风电发展对比 风力发电是具有竞争力的可再生能源 Page4 6

世界与中国风电发展对比 风力发电发展的优势 清洁 无污染 施工 周期短 投资灵活 占地少 良好的 社会效应 经济 效益好 Page5 7

世界历年装机容量 世界与中国风电发展对比 前10年，总装机容量逐年上升，上升幅度均超过20％ 信息来源：World Wind Energy Association 前10年，总装机容量逐年上升，上升幅度均超过20％ 从00年到03年，总装机容量增幅有所回落，到04年，总装机容量上升幅度最小，为21％ 从05年，开始总装机容量增速逐年提升，到08年已达到29％ 从1999年，新增装机容量一直逐年持续上升 Page6 8

世界与中国风电发展对比 中国风力发电的发展动力 Page7 9

中国大陆历年风电装机容量对比 世界与中国风电发展对比 前10年，总装机容量逐年上升 从05年开始，总装机容量逐年迅速上升 从02年开始，新增装机容量逐年上升 从06年开始，连续3年增速均超过100％，发展速度令人瞩目 信息来源：施鹏飞－中国大陆风电装机容量统计 Page8 10

世界与中国风电发展对比 世界与中国大陆风电装机容量年增速对比 中国的风电起步较晚，在03年前，中国的风电发展慢于世界平均水平 从04年开始，中国的风电迅速发展，增速明显超过世界平均水平 从06年开始，中国风电连续3年增速超过100％。 中国从07年的第5名升至08年的第4名，占据 １０％的市场份额 Page9

世界与中国风电发展对比 08年世界新增风电装机容量比例分配 截至到2008年底，世界风力发电机组平均年发电量超过了世界当年总用电量的1.5％ 北美和亚洲的新增装机容量已超过欧洲， 中国第一次超过印度，位居亚洲第一，全球第四 世界风能08年增长了29％，是自02年以来，增长最快的一年，主要归功于美国和中国，它们占08年全球风电机组总销量的50％以上 信息来源：World Wind Energy Association Page10 12

世界与中国风电发展对比 全球风能发展预测 保守预测，2020年全球装机容量将达1,500,000MW, 将占全球电力供应的12％。 风能和太阳能作为可再生能源领域的2大主力军，在未来将会占据新能源的主要份额 全球非可再生能源发电站所发电量将会在2018之后逐渐减少 信息来源：World Wind Energy Association Page11 13

世界与中国风电发展对比 香港风电的发展 香港陆地资源有限，多山地，陆地风场发展受到限制 唯一的风电机组：07年，由香港电灯公司在南丫岛建立的800kW风力发电站 香港海上风能资源丰富，09年上半年，中华电力与 WindProspect 公司拟合作，在香港东南水域发展一个达200MW级的海上风场的可行性研究 Page12 14

水平风电机 不利條件 Disadvantage Horizontal Wind Turbine Vertical stable 穩定 Maintenance 維修 Life time 壽命 Long Electrical cable 長電纜 Limitation of high power 局限功率

垂直风电机 拓撲 Topology of Vertical Wind Turbine

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风力发电机的现状分析 目前流行的风力发电机 Page14

风力发电机的现状分析 风力发电机系统结构分析 风力发电机可输出 直流或交流 系统结构中包括 AC－DC，DC－DC， DC－AC，AC－AC 变换器 输出可以直接连接到 电网或离网单机运行 电网可以是直流或交流电网 对于交流电网，为确保安全，减少额外的能量损失，发 电机系统的输出需要与电网同步 Page15 19

Doubly fed Induction传统双馈感应发电机系统 风力发电机的现状分析 Doubly fed Induction传统双馈感应发电机系统 Low power in power converter/低功率转换器 Mature technology/技术成熟 Brush contact problem/有电刷和滑环问题 Difficult to parallel connected to grid in large scale/难于大范围并行连接到电网 Page16 20

Induction 感应电机系统结构 风力发电机的现状分析 Variable speed output/变速度输出 Need DC-DC inverter to stabilize the frequency/为稳定频率，需要直流-直流转换器 Need DC-AC inverter for constant frequency output and grid connection/为定频率输出并网，需要直流－交流转换器 Need large number of poles for low speed/为低速操作，需要大量的电极 Page17 21

风力发电机的现状分析 Synchronous 永磁同步电机系统结构 Require more sub- circuits/要求更多的子电路 Need DC-AC inverter for constant frequency output and grid connection/为定频率输出并网，需要直流－交流转换器 Need large number of poles for low speed/为低速操作，需要大量的电极 Page18 22

Switched-reluctance开关磁阻发电机系统结构 风力发电机的现状分析 Switched-reluctance开关磁阻发电机系统结构 Need DC-AC inverter/为定频率输出并网，需要直流－交流转换器 Modern circuit/新式的电路 Wide range of speed/宽的工作速度范围 Easily to output DC/直流输出 Easy for parallel connection/容易大范围并行连接 Page19 23

风力发电机的现状分析 开关磁阻电机 结构简单 控制性能好 转子无绕组，热量集中在定子外壳，有利于散热设计 绕组间互相独立，提高了系统可靠性 优点 结构简单 控制性能好 转子无绕组，热量集中在定子外壳，有利于散热设计 绕组间互相独立，提高了系统可靠性 可宽速度范围实现最大风能捕获 缺点 起步较晚，在风电中较少人研究 大功率风电的相关配套不齐全 Page20

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开关磁阻电机在风力发电中的应用 开关磁阻电机的结构及主电路拓扑 图2：典型的4相开关磁阻发电机主电路拓扑 图1：典型的8/6， 4相开关磁阻发电机的结构 图2：典型的4相开关磁阻发电机主电路拓扑 Page22

开关磁阻电机在风力发电中的应用 开关磁阻电机的模拟示意图 典型的4相开关磁阻电机动画模拟 图1：典型的8/6， 4相开关磁阻发电机的结构 Page23 27

图3：相电感及典型的相电流控制波形“a”, “b” 和 “c” 开关磁阻电机在风力发电中的应用 开关磁阻发电机的操作步骤 图3：相电感及典型的相电流控制波形“a”, “b” 和 “c” 图4：典型的磁通曲线“a”, “b” 和 “c” Page24

开关磁阻电机在风力发电中的应用 开关磁阻发电机控制系统研究 图5：开关磁阻风力发电机控制框图 Page25

开关磁阻电机在风力发电中的应用 开关磁阻发电机实验系统 图6：开关磁阻发电实验系统框图 Page26

开关磁阻电机在风力发电中的应用 开关磁阻发电机系统 图6：开关磁阻发电系统 Generator Motor Driving and control logic circuits 图6：开关磁阻发电系统 Page27 31

开关磁阻电机在风力发电中的应用 实验结果－电压闭环特性测试 图11（b）：固定负载和速度下，40V电压闭环阶跃响应的直流母线电压和相电流波形 图11（a）：固定速度下变负载的直流母线电压和相电流波形 Page28 32

开关磁阻电机在风力发电中的应用 实验结果－电压闭环特性测试 图12（b）：固定负载下，低速到高速变化的直流母线电压和相电流波形 图12（a）：固定负载下，高速到低速变化的直流母线电压和相电流波形 Page29 33

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并行操作式风力发电机 并行操作式风力发电机特性 风力发电的低速运行特性，要求发电机组采取特殊结构，目前多为多级结构的发电机 (Need multi-poles for low speed) Page31

并行操作式风力发电机 并行操作式风力发电机系统结构 图13：模块化的发电机相绕组的分布图 图14：“C”型定子的 开关磁阻发电机并行系统结构 Page32

并行操作式风力发电机 并行操作式风力发电机组模拟示意图 并行操作式转盘旋转模拟示意图 “C”型定子的磁力线变化示意图 Page33 37

并行操作式风力发电机 并行操作式风力发电机组模拟示意图 “C”型定子的磁力线变化示意图 磁力线分布变化示意图 Page34 38

并行操作式风力发电机 并行操作式风力发电机组模拟示意图 Page35 39

风力发电机组控制器

风力发电電池管理系統 Battery Management System

DC voltage management/ power converter in Wind Power风力发电直流电压管理/功率转换器 Dept. of Electrical Engineering The Hong Kong Polytechnic University DC voltage management/ power converter in Wind Power风力发电直流电压管理/功率转换器 Technologies and Features(技术与性能): Soft-switching (软开关) Resonant converter(谐振式变换器) Simple and high performance in control (简单高效的控制器) Latest Power electronics(最新型的功率变换技术) Many different combinations in power conversion (多种功率转换相结合) High efficiency topology (高功率拓扑) Low profile magnetics 小体积的磁性元件 New Plastic Transformer core 新型塑料变压器磁心 Low profile converter 小型功率变换器 http://www.ee.polyu.edu.hk …..Power the future

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新的机械部分应该减少对永磁体、铜线圈、磁材料的需求 风力发电的未来发展趋势 风力发电的未来发展趋势 A. 更多的电力电子技术 使用 功率晶体管 最大功率点跟踪控制 B. 直流输电 输出可以直接连接到直流电网 C. 新的 机械部分 新的机械部分应该减少对永磁体、铜线圈、磁材料的需求 Page37

依据不同的风速和使用条件, 控制功率、 负载流、 能量存储、 维持系统稳定等功能 风力发电的未来发展趋势 风力发电的未来发展趋势 D. 垂直轴风力发电机 改善结构平衡问题 提高系统 维护成本高和可靠性 E. 机械结构 更好的机械 设计和地基 网络式结构 F. 智能输电网络 依据不同的风速和使用条件, 控制功率、 负载流、 能量存储、 维持系统稳定等功能 d) Vertical wind turbine Improve balance e) Better mechanical structure f) Connected to smart grid Page38

风力能源与电动汽车 风力发电的未来发展趋势 All DC lines can be generated by Wind power/各个部分的直流电可以由风能供给 The energy storage is needed for DC/为直流电系统，需要能量存储装置 The electric vehicle has a good DC energy storage/电动汽车有好的直流能源存储装置 It can also be used for peak-tough power compensation in power generation/风能也可以被用于高功率补偿 Page39 46

Wind power vehicle/风力车 风力发电的未来发展趋势 Wind power vehicle/风力车 Use wind to provide main propulsion/ 用风能作为主推动源 Use two wind turbines to provide steering/用2个风轮实现方向控制 Can be used for ship of vehicle/此技术能用于轮船等交通工具 Page40 47

DC Grid/直流电网 风力发电的未来发展趋势 All the batteries in an electric vehicle can be connected to a grid during charging/电动汽车上所有的电池都被连接到直流电网充电 The battery is a huge energy storage to absorb and store energy/电池是大的吸收和存放能量的装置 Page41 48

DC grid system examples/直流电网系统举例 风力发电的未来发展趋势 DC grid system examples/直流电网系统举例 Renewable energy source: wind, solar/可再生能源：风能，太阳能 Can be connected to a DC grid line for further power conversion/可以直接连接到直流电网，进行能量传输 Reduce all the conversion subsystems/减少所有不必要的转换子系统 Page42 49

风力发电的未来发展趋势 The DC City and Systems/城市直流输电系统 The wind and solar are connected to a grid/ 风能和太阳能发出的电 直接连接到电网 The Grid should be intelligent/采用智能网络 The control should accommodate the load variation suitable for DC lines/城市中的各种负载更加适合直接使用直流电 Page43 50

结论 世界上第一个用于功率变换器中的塑料磁心 香港最大的风力发电研究小组 香港最大的电池发电研究小组 香港第一个自己开发电动汽车 Dept. of Electrical Engineering Hong Kong Polytechnic University 结论 世界上第一个用于功率变换器中的塑料磁心 香港最大的风力发电研究小组 香港最大的电池发电研究小组 香港第一个自己开发电动汽车 全球第一次在风力发电中采用垂直开关磁阻电机 香港第一风力車研究 此领域最大的电力电子研究小组 发表了此领域最多数量的关于电力电子，电机及驱动的文章 http://www.ee.polyu.edu.hk ….Power the future

Examples of Large Industrial Projects Dept. of Electrical Engineering Hong Kong Polytechnic University Examples of Large Industrial Projects 大型工业项目 Polymer-bonded magnetic $4 Million (聚合物粘合磁性元件，经费400万) IVVC control for motors $0.72 Million (电动机的IVVC控制系统，经费72万) Integrated Charger and controller $4 Million (集成充电器及控制系统，经费400万) Electric Air-conditioning $2.5 Million(电子空调系统，经费250万) Battery Management system $1 Million(電池管理系統 ，经费100万) Switched Reluctance Generators for Wind Power Generation $1 Million (開發用於風力發電的開關磁阻發電機 ，经费100万) Wind Power Generation Electrical installation $0.35 Million 風力發電的電器安置 ，经费35万) Funding source: Guangdong and HK Governments industry and University(经费来源：广东省及香港政府，工业界，大学 ) ….Power the future http://www.ee.polyu.edu.hk

Thank You谢谢大家