永磁直驱风力发电机或成风电市场主流机型
发布时间：2014-02-10 来源： 《风能产业观察》
本文摘要： 近年来，高性能永磁材料和电力电子技术的发展，大功率变频装置的出现，推动了大型永磁同步发电机在风电领域的应用。目前许多风电制造厂...
近年来，高性能永磁材料和电力电子技术的发展，大功率变频装置的出现，推动了大型永磁同步发电机在风电领域的应用。目前许多风电制造厂商在兆瓦级直驱和混合驱动型风力发电机组中采用了永磁直驱型风力发电机。
永磁直驱风力发电机组适应在恶劣环境下运行，且有可靠性高、运行、维护简单，受到风电场运营商的欢迎。市场占有率正在大幅增长，是风电很有发展前景的机型。
永磁直驱发电机的原理与结构
永磁同步风力发电的基本原理，就是利用风力带动风力机叶片旋转，拖动永磁同步发电机的转子旋转，实现发电。永磁同步风力发电系统和笼型变速恒频风力发电系统类似，只是所采用的发电机为永磁式发电机，转子为永磁式结构，不需外部提供励磁电源，提高了效率。它的变频恒速控制是在定子回路中实现的，把永磁同步发电机的变频的交流电通过变频器转变为电网同频的交流电，实现风力发电的并网，因此变频器的容量与系统的额定容量相同。
永磁同步发电机从结构上分有外转子和内转子之分。
对于典型的外转子永磁同步发电机结构，外转子内圆上有高磁能积永磁材料拼贴而成的磁极，内定子嵌有三相绕组。外转子设计，使得能有更多的空间安置永磁磁极，同时转子旋转时的离心力，使得磁极的固定更加牢固。
由于转子直接暴露在外部，所以转子的冷却条件较好。其存在的问题是主要发热部件定子的冷却和大尺寸电机的运输问题。
内转子永磁同步发电机内部为带有永磁磁极、随风力机旋转的转子，外部为定子铁心。除具有通常永磁电机所具有的优点外，内转子永磁同步电机能够利用机座外的自然风条件，使定子铁心和绕组的冷却条件得到了有效改善，转子转动带来的气流对定子也有一定的冷却作用。另外，电机的外径如果大于4m，往往会给运输带来一些困难。很多风电场都是设计在偏远的地区，从电机出厂到安装地，很可能会经过一些桥梁和涵洞，如果电机外径太大，往往就不能顺利通过。内转子结构降低了电机的尺寸，往往给运输带来了方便。
内转子永磁同步发电机中，常见有四种形式的转子磁路，分别为径向式、切向式、和轴向式。
直驱发电机在时间上和双馈发电机大约同时出现，但长时间以来相对后者一直发展较慢。但随着双馈发电机缺点的不断显现，和直驱永磁技术的不断改进，直驱永磁发电机获得了跨越式快速发展，在陆地项目中不但得到了广泛的应用，而且在海上机组中也开始崭露头角，大有迎头赶上并超过双馈发电机的势头。
永磁直驱风力发电机的特点
永磁直驱风机拥有更强的电网兼容性，其具备较强电容补偿、低电压穿越能力，对电网冲击小；从维护成本来看，永磁直驱风机更低，它省去齿轮箱维修费用；
与其他风机相比，永磁直驱式受风速限制较小，因为它通过电磁感应原理发电，在额定的低转速下输出功率较大、效率较高；永磁直驱风机因为省去了齿轮箱，所以噪音更低低；从效率方面分析，永磁直驱风机效率更高，双馈式风机支持齿轮箱工作，本身也耗电，而永磁直驱风机与之相比，发电效率平均能够提高5-10%。
不过，永磁直驱风电机也有一些不可避免的缺陷。例如，永磁直驱风机体积较大，运输难度也随之增加；电控方面，永磁直驱风机省去齿轮箱，全功率逆变，因此要求更高；永磁直驱风机技术较新，电子化程度高，其改进空间也较其他类型的风机大得多。
相较于双馈式电机，永磁直驱风机更能适应低风速，且能耗较少、后续维护成本低。此外，永磁直驱风机的应用对于我国具有更加重要的意义，我国低风速的三类风区占到全部风能资源的50%左右，更适合使用永磁直驱式风电机组。
永磁直驱风力发电机的现状
2001年，科技部将研制兆瓦级以上双馈型风力发电机和失速型风力发电机列入国家863计划，并将此任务交予金风科技、浙江运达、国电龙源电力集团公司和沈阳工业大学等，此后金风科技公司提出将研制MW级失速型风力发电机转为研制MW级直驱型（无齿轮传动）永磁低速风力发电机，此举得到科技部大力支持。在该计划下，2005年，金风科技试制出我国第一台MW级风力发电机——1.2 MW直驱永磁风力发电机，2005年，沈阳工业大学自主研制出1 MW双馈风力发电机。
如今，国内多家企业也开始进军直驱式风力发电机领域，湘潭电机集团与日本原弘产株式会社合资组建的湖南湘电风能有限公司，2兆瓦直驱式永磁风力发电整机机组已试车成功；广西银河艾万迪斯风力发电有限公司与德国AVAVTIS公司联合推出的2.5兆瓦直驱变桨风力发电也将于2008年二季度完成样机；具有自主知识产权的新疆金风科技股份公司、哈尔滨九州电气公司也分别研制出1.5兆瓦直驱式风力发电机。
金风科技已将2.5兆瓦永磁直驱机组批量生产，成为世界上唯一将2.5兆瓦永磁直驱风力发电机组大规模商业化企业。目前该企业已销售1.5MW风电机组2567台。
南车株洲电机有限公司在直驱永磁风力发电机领域，与新疆金风科技股份有限公司联合，自2005年以来，双方共计合作生产了直驱永磁风力发电机近5000台，稳定运行在北京官厅、新疆吐鲁番等风电场。
总的来说，目前直驱永磁发电技术还处在行业的朝阳阶段，昂贵的永磁材料价格和后续维护的难度也或许令一些企业望而却步。但是，直驱永磁发电机组具有的效率高，运行可靠，维护量小，对电网冲击小，风速适应范围宽，控制简单，有功和无功功率调节灵活的优点却是无可争议的，而这些对加强智能电网的建设和应对未来大范围输送风能的趋势，也是大有裨益的。综合来看，永磁直驱风机将是我国风力发电机组未来发展趋势。（《风能产业观察》）
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