直驱风力发电机
直驱式永磁同步风力发电机概述
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。
永磁直驱风力发电机结构
永磁直驱风力发电机结构：永磁直驱风力发电机的结构主要包括风轮、永磁同步发电机、机架及偏航系统、主控系统、变流器、空－空循环冷却系统、液压系统、润滑系统、变压器、中央监控系统、塔架和机舱等部分。
风轮是永磁风力发电机的核心部件，也是最直接受到风能作用的部分。
它由多个叶片组成，通过风力的作用使得风轮旋转。
风轮通常采用可调角度的叶片设计，以便在不同风速下获得最高效率的转动。
发电机通过法兰与风轮直接相连，省去了影响风机可靠性的最薄弱环节———齿轮箱，以及主轴系统、联轴器等传动部件。
风轮与发电机转子直联，简化了结构，缩短了传动链，最大限度地提高了机组的可靠性和传动效率。
机架和偏航系统支持整个发电机组的运行，并能根据风向的变化自动调整机舱的角度，以保证风轮始终对准风向，提高发电效率。
主控系统负责整个发电机组的运行控制，包括启动、停机、偏航、故障保护等功能。
变流器将发电机产生的电能转换为符合电网要求的电能，空－空循环冷却系统则负责冷却发电机和变流器等发热部件。
液压系统和润滑系统则分别提供机组运行所需的液压动力和润滑。
此外，永磁直驱风力发电机还包括变压器、中央监控系统、塔架和机舱等部分。
变压器将发电机产生的电能升压后送入电网，中央监控系统则负责监控整个发电机组的运行状态和性能。
塔架和机舱则构成了发电机组的支撑结构和运行环境。
直驱式永磁同步风力发电机变速变桨距控制
直驱式永磁同步风力发电机变速变桨距控制变桨距是最常见的控制风力发电机组吸收风能的方法。
变桨距控制会对所有由风轮产生的空气动力载荷产生影响。
直驱式永磁风力发电机组一旦达到额定转矩，载荷转矩就不能继续增加，但风速还在增加，所以转速也开始增加，应用变桨距控制调节转速，使转速不超过上限，并由变流器保证载荷转矩恒定不变。
通常PI或PID调节器调节桨距角就可以满足要求，在有些情况下要用滤波器对转速误差进行处理，以防止过度的桨距动作。
一、变速变桨距控制概述1.基本控制要求在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能捕捉较多风能，所以这时没有必要改变桨距角，此时的空气动力载荷通常比在额定风速以上时的动力载荷小，也没有必要通过变桨距来调节载荷。
在额定风速以上时，变桨距控制可以有效调节风力发电机组的吸收功率及风轮产生的载荷，使其不超出设计的限定值。
而且为了达到良好的调节效果，变桨距应该对变化的情况作出迅速的反应。
这种主动控制器需要仔细设计，因为它会与风力发电机组的动态特性相互影响。
随着叶片攻角的变化，气流对风轮的作用力也会随之发生改变，这就会导致风力发电机组塔架的振动。
随着风速的增加，为了保持功率恒定，转矩桨距角也随着增加，风轮所受到的力将会减小。
这就使塔架的弯曲减小，塔架的顶端就会向前移动引起以风轮为参照物的相对风速的增加。
空气动力产生的转矩进一步增加，引起更大的调桨动作。
显然，如果变桨距控制器的增益太高会导致正反馈不稳定。
2.主动失速变桨距在额定风速以下时，桨距角设定值应该设置在能够吸收最大功率的最优值。
按照这个原则，当风速超过额定风速时，增大或减小桨距角都会减小机组转矩。
减小桨距角，即将叶片前缘转向背风侧，通过增大失速角来调节转矩，使升力减小，阻力增加，称为主动失速变桨距。
尽管顺桨是更常见的控制策略，但是有些风力发电机组采用主动失速变桨距的方法，通常称为主动失速。
向顺桨方向变桨距比主动失速需要更多的动态主动性，一旦大部分叶片失速，就没有足够的变桨距调节来控制转矩。
直驱型风力发电机的优越性和特点
直驱型风力发电机的优越性先进性没有了齿轮箱的整个机组，不仅降低了成本，减轻了整机重量，同时避免了齿轮箱过热、噪音大等缺陷，大大降低了故障率。
经济性发电机采用永磁式，提高了发电机的输出电压，减少了在传输过程中的线损，节省了箱变的费用。
通过对风机机组的零部件的优化设计、计算及检验，能够大幅度的延长整机的工作寿命。
安全性合理的机舱提升机设计安装在机舱内部，避免了工作人员直接与机舱尾部的窗口接触，扩大了活动空间，大大提高了安全性能。
在整机零部件之间加入防雷保护系统，可以很好的避免雷雨天气对风机的损坏，并在设计过程中全方位的考虑了天气的变化对机组的影响；塔筒之间采用高强度的螺栓连接，保证了塔筒的稳定性。
可靠性产品在研发和生产过程中，进行了全方位的认证工作，与国内多家知名认证公司保持着长期联系，并达成一致，为我们生产的直驱型风力发电机组进行全面的认证工作，包括设计认证、型式认证等。
完善的售后服务体系在安装过程中，我们有大量的技术人员会进行全程跟踪指导，建立客户档案，定期进行交流，经常保持与客户的联系，及时解决客户遇到的问题和困难。
我们的所有部件的采购都是选择著名且已获认证的供货商，保证了所有的零部件的高质量、高性能，能够满足广大用户的需求；同时我们有专业的研究开发人员，能够为用户提供详细的技术指导。
直驱型风力发电机的主要特点直驱永磁风力发电机组取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到叶轮轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电频率也随之变化。
，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。
国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机，多沿用低速多极永磁发电机，并使用一台全功率变频器将频率变化的风电送入电网。
直接驱动式风力发电机组由于没有齿轮箱，零部件数量相对传统风电机组要少得多。
其主要部件包括：叶轮叶片、轮毂、变桨系统、发电机转子、发电机定子、偏航系统、测风系统、底板、塔架。
直驱风力发电机分析
主要零部件
变距系统设计方案
• 驱动装置： 采用三个相互独立的变 频调速电机传动机构。
• 后备储能单元： 采用大容量电容， 免维护，可靠性高。
• 传动方式： 同步齿型带，免维护， 成本低。
主要零部件
机舱底座
主要零部件
轮毂
永磁电机效率对比
1.2MW永磁直接驱动风机功率曲线
发电 量 对 比
MW永磁直驱发电机特点
零部件
• 定子支架
轴 加 工 完 的 定 子 支 架
多极永磁发电机发电系统
变速恒频闭环控制模型
风
发电机
转速
测量
转速
传感器 转速
风机
控制器
叶片 桨距
发电机 转矩需求
桨距执 桨距 行机构 需求
需求 转矩 转速
变流系统原理框图
1
MA
~~
永磁 发电机
2 B
三相 整流
3
=C =
升降 压
4
=D 逆变~~~
小带来的好处就是重量轻，易于运输。
直接驱动永磁发电机
磁钢Leabharlann 铁心绕组风
无需励磁能量
长寿命的低速发电机 高效 抗环境侵蚀和腐蚀保护
外转子发电机,利于磁钢散热 自然空气冷却,大的外表面， 利于散热不必使用强迫风冷
冷却风道 定子
转子
直接驱动风力发电机组 — 结构形式及工作原理
径向永磁电机结构
轴向永磁电机结构
变流器
5 E
滤波 器
6
变压 器
7 F
电网
•
多极永磁发电机型风力发电系统结构如图所示。风力
机与发电机直接相连,风力机采用变桨距功率控制方式实
直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略
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。
直驱式水平轴风力发电机共18页
窦建中 6014
直驱式水平轴风力发电机
Direct Drive Wind Turbine
直驱式水平轴风力发电机
风力机转速都较低，小型风力机转速每分 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，在“机舱设备与塔 架”一节中介绍用齿轮箱增速来带动发电 机。 但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。
直驱式水平轴风力发电机
直驱式永磁风力发电机基本结构图之二
直驱式水平轴风力发电机
ห้องสมุดไป่ตู้
直驱式水平轴风力发电机
为提高风力发电机的效率，直驱式风力 发电机都是应用在变速方式，通过变桨 调节转速以获得最大的风能利用系数。 但发电机不断变化的转速使得发出的交 流电频率不断变化，为了使发出的电能 输入电网，必须输出稳定的50Hz交流电， 这就需要交-直-交变流器把发电机输出的 电能转换为稳定的50Hz交流电。
直驱式水平轴风力发电机
机舱内有偏航装置、定子机架与转子主轴
直驱式水平轴风力发电机
把绕好线圈的定子安装在机座的机架 上，为显示转子结构将定子剖去一部 分，见下图
直驱式水平轴风力发电机
机座的机架上安装定子铁芯与三相绕组
直驱式水平轴风力发电机
把装有永久磁极的内转子安装在机座 的转轴上，见下图
直驱式水平轴风力发电机
安装有定子与永磁转子的机舱
直驱式水平轴风力发电机
把装有叶片的轮毂也安装在机座的转轴上， 并且与转子固定连接，风轮与转子同步旋 转，再安装好轮毂罩，见下图
直驱式水平轴风力发电机
直驱式永磁风力发电机基本结构图之一
直驱式水平轴风力发电机
直驱式永磁同步风力发电机最大功率跟踪的基本控制方法
直驱式永磁同步风力发电机最大功率跟踪的基本控制方法一、最大风能捕获控制的基本原理风能作用在风轮上，风能只有一部分可以被风轮吸收。
风力机从风能中捕获的功率Pw可表示为式中Pw——风力机从风能中捕获的风功率；ρ——空气密度；A——风力机扫风面积；v——风速；C p ——风力机的风能利用系数。
在桨距角一定的情况下，Cp是叶尖速比λ的函数，λ为式中ωw——风力机机械角速度；Rtur——风轮半径；v——风速。
在实际应用中常用风能利用系数Cp对叶尖速比λ的变化曲线表示该风轮的空气动力特性，如图7-4和图7-5所示。
图7-4 风轮气动特性（Cp-λ）曲线图7-5 永磁同步发电机不同转速从短路状态到开路状态的全特性曲线时就可以获得最大风能利当桨距角一定时，风力机运行于最佳叶尖速比λopt，此时风力机的转换效率最高，即用系数Cpmax式中ω——风力机的最优机械角速度；optλ——最佳叶尖速比。
opt成比例调节，以保持λ总在最优。
上式要求风轮机组的转速ω可以随风速v1在直驱式永磁同步风力发电系统中，风力发电机与风力机直接相连，风力发电机组的动态特性可以用一个简单的数学模型描述为——风力发电机组的转动惯量；式中Jtur——风力机的气动转矩；TturT——风力发电机电磁转矩。
em为风力机气动转矩Ttur其中式中ρ——空气密度；β——桨距角；CT——风力机转矩系数；Cp——风能利用系数。
稳态时，当风力机运行在一个最佳叶尖速比λopt 时，有一个最佳功率系数Cpopt与之对应，且转矩系数CT =Cpopt/λopt=CTopt也为常数，此时捕获的风能为最大，为式中S——风轮扫风面积。
稳态时，当忽略摩擦阻力转矩，发电机的电磁转矩应该与风力机气动转矩相等，即式（7-7）是在稳态条件下推导出来的发电机电磁转矩与转速之间的关系，它可以作为用于控制电机转矩的给定值，是发电机转速的函数。
即当风速在额定风速以下时，发电机的电磁转矩按照式（7-12）的关系控制，整个系统就能够实现最大风能的捕获，这就是额定风速以下最大风能捕获的基本原理。
双馈、直驱、半驱风力发电机工作原理
双馈、直驱、半驱风力发电机工作原理双馈风力发电机、直驱风力发电机和半驱风力发电机是目前常见的风力发电机类型。
它们分别采用不同的工作原理，以实现风能的高效转化为电能。
双馈风力发电机是一种常用的风力发电机类型。
它由风轮、发电机和变频器组成。
风轮通过叶片将风能转化为机械能，驱动发电机旋转。
发电机是双馈结构，即具有两个馈线圈：一个是固定转子上的主馈线圈，另一个是转子上的副馈线圈。
主馈线圈与电网相连，副馈线圈通过变频器与电网相连。
当风力发电机转速变化时，电网电压和频率不变，主馈线圈的电流也保持不变。
副馈线圈的电流则通过变频器调节，以使发电机输出的电流和电网电压保持同步，实现电能的高效输送和稳定输出。
直驱风力发电机则是将风轮直接连接到发电机上，取消了传统的传动装置。
风轮通过叶片将风能转化为机械能，直接驱动发电机旋转。
直驱风力发电机通常采用永磁同步发电机作为发电机，它具有结构简单、高效率等优点。
此外，直驱风力发电机还可以在变速范围内实现高效的风能转化，适应不同风速下的发电需求。
半驱风力发电机是双馈风力发电机和直驱风力发电机的结合。
它采用了一种带有齿轮箱的直驱发电机，以实现风能的高效转化。
风轮通过叶片将风能转化为机械能，经过齿轮箱的变速作用后，驱动发电机旋转。
半驱风力发电机既兼具了直驱风力发电机的高效率特点，又克服了直驱风力发电机在变速范围内的限制。
通过合理设计齿轮箱的传动比，可以使发电机在不同风速下都能实现高效的发电。
总结起来，双馈风力发电机、直驱风力发电机和半驱风力发电机都是通过将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能的方式实现风力发电。
它们分别采用了不同的工作原理，以实现风能的高效转化和稳定输出。
在不同的应用场景中，可以根据具体需求选择合适的风力发电机类型，以实现风能的最大利用和经济效益的最大化。
直驱式风力发电机知识
是我们初中学的磁极数，一个发电机是有南北极的（货是正负极），就是指的这个，但是3相的就不是了，你可以通过数住绕组的个数来辨别是多少级数，或者说发电机的转速也可以看出来是多少级数以50HZ为例，2级的就是3000转，4级就3000/2，1500转这样就好理解了直驱永磁风力发电机组特点直驱式风力发电机（Direct-driven Wind Turbine Generators），是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。
由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。
直驱式（无齿轮）风力发电机始于20多年前，由于电气技术和成本等原因，发展较慢。
随着近几年技术的发展，其优势才逐渐凸现。
德国、美国、丹麦都是在该技术领域发展较为领先的国家，其中德国西门子公司开发的（直驱式）无齿轮同步发电机安装在世界最大的挪威风力发电场，最高效率达98%。
1997年的风机市场上出现了兼具无齿轮、变速变桨距等特征的风力发电机,这些高产能、运行维护成本低的先进机型有E-33、E-48、E-70等型号，容量从330千瓦至2兆瓦，由德国ENERCONGmbH公司制造，它们的研制始于1992年。
2000年，瑞典ABB公司成功研制了3兆瓦的巨型可变速风力发电机组，其中包括永磁式转子结构的高压风力发电机Wind former，容量3兆瓦、高约70米、风扇直径约90米。
2003年，在Okinawa电力公司开始运行的MWT-S2000型风力发电机，是日本三菱重工首度完全自行制造的2兆瓦级风机，采用小尺寸的变速无齿轮永磁同步电机，新型轻质叶片。
目前，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凤科技股份公司、哈尔滨九州电气公司也分别研制出兆瓦直驱式风力发电机。
直驱式风力发电机知识
是我们初中学的磁极数，一个发电机是有南北极的（货是正负极），就是指的这个，但是3相的就不是了，你可以通过数住绕组的个数来辨别是多少级数，或者说发电机的转速也可以看出来是多少级数以50HZ为例，2级的就是3000转，4级就3000/2，1500转这样就好理解了直驱永磁风力发电机组特点直驱式风力发电机（Direct-driven Wind Turbine Generators），是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。
由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。
直驱式（无齿轮）风力发电机始于20多年前，由于电气技术和成本等原因，发展较慢。
随着近几年技术的发展，其优势才逐渐凸现。
德国、美国、丹麦都是在该技术领域发展较为领先的国家，其中德国西门子公司开发的（直驱式）无齿轮同步发电机安装在世界最大的挪威风力发电场，最高效率达98%。
1997年的风机市场上出现了兼具无齿轮、变速变桨距等特征的风力发电机,这些高产能、运行维护成本低的先进机型有E-33、E-48、E-70等型号，容量从330千瓦至2兆瓦，由德国ENERCONGmbH公司制造，它们的研制始于1992年。
2000年，瑞典ABB公司成功研制了3兆瓦的巨型可变速风力发电机组，其中包括永磁式转子结构的高压风力发电机Wind former，容量3兆瓦、高约70米、风扇直径约90米。
2003年，在Okinawa电力公司开始运行的MWT-S2000型风力发电机，是日本三菱重工首度完全自行制造的2兆瓦级风机，采用小尺寸的变速无齿轮永磁同步电机，新型轻质叶片。
目前，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凤科技股份公司、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。
直驱式和双馈式风力发电机组介绍
直驱式和双馈式风力发电机组介绍
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、控制系统等组成。
为了提高低速发电机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速。
直驱发电机按照励磁方式可分为电励磁和永磁两种。
电励磁直驱风力发电机组采用与水轮发电机相同的工作原理，技术成熟，德国公司在这方面取得了很好市场业绩。
永磁直驱是近年来研发的风电技术，该技术用永磁材料替代复杂的电励磁系统，发电结构简单对励磁直驱机组较轻。
但永磁部件存在长期强冲击振动和大范围温度变化条件下的磁稳定性问题，永磁材料的抗盐雾腐蚀问题，空金属颗粒在永磁材料上的吸附从而引起发电机磁隙变化问题，以及在强磁条件下机组维护困难问题等。
此外，永磁直驱式风力发电造过程中，需要稀土这种战略性资源的供应，成本较高。
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的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。
发电机定子绕组网连接，转子绕组和频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的变频器相连。
变频器控制电机在亚同步和超同步转速下都保持发在超同步发电时，通过定转子两个通道同时向电网馈送能量，这时逆变器将直流侧能量馈送回电网。
在亚同步发电时，通过定子向能量、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。
直驱式永磁同步风力发电机组并网与保护
直驱式永磁同步风力发电机组并网与保护一、并网条件和方式1.并网条件永磁同步风力发电机组并联到电网时，为了防止过大的电流冲击和转矩冲击，风力发电机各相端电压的瞬时值要与电网端对应相电压的瞬时值完全一致，满足的条件：①波形相同；②幅值相同；③频率相同；④相序相同；⑤相位相同。
并网时因风力发电机旋转方向不变，只要使发电机的各相绕组输出端与电网各相互相对应，条件④就可以满足；而条件①可由发电机设计、制造和安装保证；因此并网时主要完成其他3个条件的检测和控制，其中频率相同必须满足。
2.并网方式（1）自动准同步并网。
满足上述理想并联条件的并网方式称为准同步并网，在这种并网方式下，并网瞬间不会产生冲击电流，电网电压不会下降，也不会对定子绕组和其他机械部件造成冲击。
永磁同步风力发电机组的起动与并网过程如下：当发电机在风力机带动下的转速接近同步转速时，励磁调节器给发电机输入励磁电流，通过调节励磁电流使发电机输出的端电压与电网电压相近。
在风力发电机的转速几乎达到同步转速、发电机的端电压与电网电压的幅值大致相同，并且断路器两端的电位差为零或很小时，控制断路器合闸并网。
永磁同步风力发电机并网后通过自整步作用牵入同步，使发电机电压频率与电网一致。
以上的检测与控制过程一般通过微机实现。
（2）自同步并网。
自动准同步并网的优点是合闸时没有明显的电流冲击，缺点是控制与操作复杂、费时。
当电网出现故障而要求迅速将备用发电机投入时，由于电网电压和频率出现不稳定，自动准同步法很难操作，往往采用自同步法实现并网运行。
自同步并网的方法是，同步发电机的转子励磁绕组先通过限流电阻短接，发电机中无励磁磁场，用原动机将发电机转子拖到同步转速附近（差值小于5%）时，将发电机并入电网，再立刻给发电机励磁，在定子、转子之间的电磁力作用下，发电机自动牵入同步。
由于发电机并网时转子绕组中无励磁电流，因而发电机定子绕组中没有感应电动势，不需要对发电机的电压和相角进行调节和校准，控制简单，并且从根本上排除不同步合闸的可能性。
直驱式永磁同步风力发电机控制与运行概述
直驱式永磁同步风力发电机控制与运行概述一、直驱式永磁同步风力发电机运行区间根据风力机的功率特性把风速划分为5个区间：①风速低于切入风速；②风速在切入风速和额定转速之间；③风速超过风轮额定转速，发电机组运行在恒转速区；④风速继续增大到切出风速以下，发电机运行在恒功率区；⑤风速大于切出风速。
风力发电机组运行区域如图7-1所示。
图7-1 风力发电机组运行区域（1）停机模式。
风力机在风速小于切入风速或大于切出风速时，风能转化效率为零，称为停机模式。
当风速低于风力机的切入风速时，其产生的功率很小甚至低于内部消耗的功率，因此处于停机模式，此时叶片处于完全顺风状态，风力机的机械制动器处于开启状态；当风速超过风力机的切出风速时，为了保护风力机的安全，叶片被调至完全顺桨状态，风力机转速也下降为零，风力机将被锁定进入停机模式。
其他3个风速区间是风力发电机的正常运行状态，为了捕获到更多的风能，同时保证发电机组的安全运行，在不同的风速阶段对桨距角采用了不同的控制策略。
（2）最佳叶尖速比运行区。
即第②区间，即图7-1的AB区间。
当风速超过切入风速时，风力发电机组开始作为发电机运行。
此时要调节桨距角到最佳值使风能利用系数C恒定为最大值，以保证风力发电机组运行在最大功率点跟踪状p态。
（3）恒转速运行区间。
即第③区间，即图7-1的BC区间。
为了保证风力发电机组的安全稳定运行，一般都会根据风力发电机组的特性设定一个额定风速点对应图7-1中B点的速度，这个额定风速点应小于发电机的额定转速。
当风力机转速超过额定风速点时，随着风速的继续增大，要调节桨距角使Cp值减小，以保证风力发电机组进入恒转速区间。
但此时发电机的功率随风速的增加而增加，但仍然在额定功率以下。
（4）恒功率运行区间。
即第④区间，即图7-1中的CD段。
当风速继续增大，不仅发电机转速到达其额定值，同时发电机的输出功率也到达额定功率。
此时如果仍然按照最大风能捕获的控制策略将会使发电机的输入功率大于输出功率，发电机组将会导致“飞车”而使整个机组脱网。
3MW直驱风力发电机组总体技术参数
3MW直驱风力发电机组总体技术参数1.额定功率：3MW。
这意味着该发电机组在额定运行条件下，能够产生3MW的电能。
这一功率水平适用于中等到大型的风力发电场。
2.额定风速范围：3-25m/s。
风速是影响风力发电效率的重要因素之一，而该发电机组在3-25m/s的风速范围内，可以保持较高的发电效率。
3.风轮直径：120m。
风轮的直径与该发电机组的功率和效率密切相关。
较大的风轮直径可以提供更大的叶片受力面积，从而增加发电机组的输出功率。
4.最佳工作风速：8-15m/s。
在这一风速范围内，发电机组的发电效率最高，能够最大限度地转换风能为电能。
5.频率：50Hz/60Hz。
在欧洲和大部分亚洲国家，电力系统的频率为50Hz；而在北美和一些南美国家，电力系统的频率为60Hz。
该发电机组可根据不同地区的需求，选择相应的频率。
6. 额定转速：10-20rpm。
转速是风力发电机组的重要参数之一、在这一转速范围内，风力发电机组能够达到最佳的机械性能和转换效率。
7.额定电压：690V。
风力发电机组产生的电能需要经过变压器升压后才能输送到电网。
该发电机组的额定电压为690V，可以便利地与变压器进行匹配。
8.机组类型：直驱式。
与传统的齿轮传动方式不同，该发电机组采用直驱式设计，将风轮的转动直接传递到发电机上，减少了能量转换的损耗。
9.控制系统：智能化控制。
该发电机组配备了智能化控制系统，可以实时监测风速、温度、转速等参数，并自动调节发电机组的运行状态，以实现最佳的发电效率和稳定性。
10.运维成本：低。
由于采用了直驱式设计，该发电机组的运维成本相对较低。
此外，智能化控制系统可以提前发现潜在故障，并进行预防性维护，进一步降低了运维成本。
总的来说，3MW直驱风力发电机组具有高效率、低噪音和可靠性强的特点，并且拥有智能化控制系统，能够实现最佳的发电效率和稳定性。
该发电机组适用于中等到大型的风力发电场，为社会提供可持续、清洁的能源。
直驱式风力发电机
直驱式风力发电机直驱式风力发电机（Direct-driven Wind Turbine Generators ）直驱式风力发电机，是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。
由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。
  直驱式（无齿轮）风力发电机始于20 多年前，由于电气技术和成本等原因，发展较慢。
随着近几年技术的发展，其优势才逐渐凸现。
德国、美国、丹麦都是在该技术领域发展较为领先的国家，其中德国西门子公司开发的（直驱式）无齿轮同步发电机安装在世界最大的挪威风力发电场，最高效率达98% 。
 1997 年的风机市场上出现了兼具无齿轮、变速变桨距等特征的风力发电机,这些高产能、运行维护成本低的先进机型有E-33 、E-48 、E-70 等型号，容量从330 千瓦至2 兆瓦，由德国ENERCONGmbH 公司制造，它们的研制始于1992 年。
2000 年，瑞典ABB 公司成功研制了3 兆瓦的巨型可变速风力发电机组，其中包括永磁式转子结构的高压风力发电机Windformer ，容量3 兆瓦、高约70 米、风扇直径约90 米。
2003 年，在Okinawa 电力公司开始运行的MWT-S2000 型风力发电机，是日本三菱重工首度完全自行制造的2 兆瓦级风机，采用小尺寸的变速无齿轮永磁同步电机，新型轻质叶片。
  目前，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凤科技股份公司、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。
永磁直驱式风力发电机的工作原理
永磁直驱式风力发电机的工作原理概述风力发电是一种绿色、可再生的能源形式，近年来逐渐受到人们的重视，并已经成为了不同国家的电力部门战略的一部分。
最新的风力发电机设计中普遍采用永磁直驱式风力发电机作为核心动力。
本文将介绍永磁直驱式风力发电机的工作原理。
永磁直驱式风力发电机永磁直驱式风力发电机简单来说就是将风能转化成电能的装置，它通过天线承受风力并转化为动能，转化后的能量被永磁直驱电机接收并被转换为可用的电能。
那么它是如何工作的呢？下面是详细解释。
工作原理永磁直驱式风力发电机利用叶轮旋转过程中的风能驱动转子旋转，发电机将叶轮的旋转转换为磁场的旋转，通过系统上的电路转变成直流电并输出。
磁场的产生永磁体作为最基本的部分，它产生的磁场为转子在正常工作时的磁场。
对于永磁直驱式风力发电机，主要采用了永磁体的磁场以产生转矩、增大效率。
在转子内部固定有许多磁钢，其成对固定在转子和定子上的相邻表面，形成有序且闭合环路的磁力线。
磁场的产生使得产生能量和承载载荷的磁力线逐渐发生变化，从而增加或减小空间磁场的强度。
磁场的转化将空间磁场转换为电力的方式很简单，利用部分转子上的线圈共同作用于磁场时，会产生一个电动势，然后流经线圈释放出的能量就作为输出电能传输至整个风力电站的主轴。
线圈位置设计在直驱发电机中，由于转子上的线圈应该共同作用于磁场，因此它们应该被两两固定在相对位置。
这样，就能产生一个比较强大而稳定的磁场。
对于风力发电机中的整个系统，转子中线圈的数量应该根据总发电机负载确定。
永磁直驱式风力发电机的运行是由风轮将风能转换为机械能，进而通过驱动永磁直驱电机的转子带动电机作业的。
转子的磁铁产生的磁场信息被转换成电动势以及电流，这些能量被输出到电池组上再进入电网供应电量。
理解永磁直驱式风力发电机的工作原理至关重要，他对于整个系统的运行效率和能量获取能力都具有重要的影响。
直驱式风力发电机原理及发电机组概述
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
主要零部件
变距系统设计方案 • 驱动装置： 采用三个相互独立的变 频调速电机传动机构。 • 后备储能单元： 采用大容量电容， 免维护，可靠性高。 • 传动方式： 同步齿型带，免维护， 成本低。
主要零部件
机舱底座
主要零部件
轮毂
永磁电机效率对比
1.2MW永磁直接驱动风机功率曲线
发 电 量 对 比
成本问题
由于稀土永磁材料目前的价格还比较贵，稀土永磁 发电机的成本一般比电励磁式发电机高，但这个成会在 电机高性能和运行中得到较好的补偿。在今后的设计中 会根据具体使用的场合和要求，进行性能、价格的比较， 并进行结构的创新和设计的优化，以降低制造成本。 无可否认，现正在开发的产品成本价格比目前通用 的发电机略高，但是我们相信，随着产品更进一步的完 美，成本问题会得到很好的解决。美国DELPHI（德尔 福）公司的技术部负责人认为：“顾客注重的是每公斤 瓦特上的成本。”他的这一说法充分说明了交流永磁发 电机的市场前景不会被成本问题困扰。
•
因此，必须建立新的设计概念，重新分析和改进磁 路结构和控制系统；必须应用现代设计方法，研究新的分 析计算方法，以提高设计计算的准确度；必须研究采用先 进的测试方法和制造工艺。
永磁材料的技术性能与退磁曲线的形状, 对电机的性 能、外形尺寸、运行可靠性等有很大的影响,是设计与制 造永磁电机时需要考虑的十分重要的参数。对于不同的情 况, 不同的场合, 应采用不同的结构形式和永磁材料。图 给出这几种永磁材料的退磁曲线(还受温度影响）。
6 E
变压器
7 F
电网
•
多极永磁发电机型风力发电系统结构如图所示。风力 机与发电机直接相连,风力机采用变桨距功率控制方式实 现最有效运行。 • 永磁发电机的定子与普通交流电机相同,转子为永磁 式结构,无需励磁绕组,因此不存在励磁绕组损耗,提高了效 率。转子上没有滑环,运行更安全可靠。但是它的不足之 处是,它因使用磁性材料如钕铁硼和钐钴等而成本很高,而 且电机的电压调节性能差。 • 此外,这种系统的变速恒频控制也在定子电路实现,电 力电子变换器的容量要求与发电机额定容量相同,增加了 系统损耗。
控制问题
永磁发电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也 造成从外部调节、控制其磁场极为困难。这些使永磁发电机 的应用范围受到了限制。 但是，随着MOSFET、IGBTT等电力电子器件的控制 技术的迅猛发展，永磁发电机在应用中无需磁场控制而只进 行电机输出控制。设计时需要钕铁硼材料，电力电子器件和 微机控制三项新技术结合起来，使永磁发电机在崭新的工况 下运行。
1.2MW直接驱动风机主要技术指标
类 型：三叶片、上风向、变速变桨功率调节、永磁直接驱动。 额定功率： 1200kW 叶轮直径： 62m 传动类型： 直接驱动 发电机类型： 永磁同步发电机 控制系统： 计算机控制，远程监控 偏航系统： 主动对风 切入风速： 3-4m/s 额定风速： 12m/s 切出风速： 25m/s 安全风速： 70m/s（3秒平均值） 最大风能利用系数： Cpmax≥0.44 噪声：LWA≤100dB(A)(距地面10米，8m/s风速标准状况下) 年均可利用率： ≥95% 设计使用寿命： ≥20年
直接永磁技术的优势
结构简单紧凑，可靠性高； 机械传动损耗减少； 电机效率高，运行范围宽； 无需励磁，无碳刷滑环，维护量少； 对恶劣环境的适应性很强； 发电品质高，无需进行无功补偿；
永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁 场是由永磁体产生的。 永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永 磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有关，还与永磁体 的形状和尺寸、充磁机的容量和充磁方法有关，具体性能 数据的离散性很大。 而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随 磁路其余部分的材料性能、尺寸和电机运行状态而变化。 此外，永磁发电机的磁路结构多种多样，漏磁路十分 复杂，而且漏磁通占的比例较大，铁磁材料部分又比较容 易饱和，磁导是非线性的。这些都增加了永磁发电机电磁 计算的复杂性，使计算结果的准确度低于电励磁发电机。
不可逆退磁问题
如果设计和使用不当，永磁发电机在温度过高（钕铁 硼永磁）或过低（铁氧体永磁）时，在冲击电流产生的电 枢反应作用下，或在剧烈的机械振动时有可能产生不可逆 退磁，或叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。因而， 既要研究开发适合于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳 定性的方法和装置，又要分析各种不同结构形式的抗去磁 能力，以便在设计和制造时采用相应措施保证永磁式发电 机不会失磁。
•
直接驱动永磁发电机
磁钢 铁心 绕组
无需励磁能量 长寿命的低速发电机 高效 抗环境侵蚀和腐蚀保护
风
外转子发电机,利于磁钢散热 自然空气冷却,大的外表面， 利于散热不必使用强迫风冷
冷却风道
定子
转子
直接驱动风力发电机组 — 结构形式及工作原理
径向永磁电机结构
轴向永磁电机结构
零
部
件
• 定子支架
轴
加 工 完 的 定 子 支 架
多极永磁发电机发电系统
变速恒频闭环控制模型
风 风 机
发电桨距 发电机 转矩需求
桨距执 行机构
桨距 需求
需求 转矩 转速
变流系统原理框图
1
2 A
三相整流
M
B
永磁发电机
~ ~
= =
升降压
3
C
变流器
= ~ ~ ~
逆变
4
5 D
滤波器
MW永磁直驱发电机特点
• • • • 采用永磁体励磁 多极、低速、大容量 外转子内定子结构 与传统的电励磁电机相比，永磁电机结构简单，运行可靠； 体积小、重量轻；损耗少、效率高；提高了功率质量比； 电机形状和尺寸可以灵活选择等优点 • 无需直流电 • 无需无功励磁电流源 • 无需集电环、电刷装置
外转子内定子结构
1.2MW直接驱动型风力发电机组
1.2MW直接驱动型 风力发电机组
直接驱动风力发电机组基本结构
永磁同步发电机
型式：96极永磁同步发电机 定子：三相绕组 转子：永磁，位于绕组外圈 额定功率：1200KW 额定电压：700V 转速范围：11～20rpm 绝缘等级：F 防护等级：IP54 发电机外径：4500mm 定子长度：740-800mm 绕组：采用Rofil线 浸漆方式：普通浸漆