国内外大型永磁风力发电机的应用

1、国内外大型永磁发电机的应用

永磁同步发电机是用永磁体来代替普通同步发电机的励磁系统，为发电机提供励磁的一种发电机。由于永磁发电机字很无法调节励磁，发电机端口电压将随着转速而变化，因而早期永磁发电机往往与小功率的变流装置配套应用于小型风力发电机上，但随着永磁技术与大功率变流技术的提高，风电新技术方案的出现，永磁发电机逐渐在大型风力发电上的到了广泛的应用，并将成为未来风力发电机的一种趋势。

2000年瑞典ABB公司研制成功了3MW-5MW的巨型可变速风力发电机组，其中发电机采用了低速多极的永磁式转子结构的高压风力发电机Windformer，由于Windformer为风轮直接驱动永磁转子，结构简单，可直接并网使用，具有容量大，效率高，运行可靠及环保效果好等特点。

2005年德国Multibrid安装了第一台5MW风机，M5000风机由德国工程咨询公司aerodyn设计，采用了单级齿轮箱和水冷式中速永磁同步发电机相结合的混合传动技术，相比传统三级齿轮箱的双馈技术方案，大大简化了传动系统结构，提高了电能品质，而相比直驱技术中采用的低速电机，中速电机的尺寸和重量大为减少，从而为生产、运输和吊装带来了一系列的优势。

国内目前能够批量化生产永磁风力发电机仅有金风科技和湘电风能公司两家风电整机厂商。

2、不同类型风力发电机的技术对比

目前风电市场中，以三级齿轮箱加双馈异步发电机为技术发难的变速恒频风力发电机应用最为广泛。但随着大功率器件的发展，大功率变流器的成本及技术瓶颈已逐渐打破，低速同步发电机配全功率整流器的直驱式结构成为了风力发电的另一个重要发展方向。永磁电机具有结构简单、效率高、免维护等优点，尤其是船舶、风机等这种对电机稳定性要求高且维修不易的环境中具有应用优势，因而低速永磁电机往往是直驱式结构风机用发电机的首选方案。

随着风力发电机不断大功率化，双馈式风力发电机组除论像的机械故障率较高，稳定性及电能品质较差，同时直驱式风力发电机组中的低速同步发电机尺寸偏大也增加了设计及运输难度，因而将上述两种方案相结合的第三种技术路线即齿轮箱加中高速同步发电机的混

合传动结构风机异军突起，而采用永磁同步发电机作为中高速等级的同步电机也是最优的选择。

下面仅对风力发电上最多采用这三种方式进行分析：

（1）变速恒频双馈异步发电机

如图4（a）所示，双馈式风力发电机组主要由风机叶轮、三级齿轮箱、双馈异步发电机、双向PWM变流器等部件组成，双馈机的定子与电网直接相连，而转子通过滑环与变频器连接到电网中，通过调节转子励磁电流，可实现对发电机无功功率和有功功率的调节。由于该发电机定转子都有外接电源并与之实现能量交换，因而成为双馈发电机。

双馈异步发电机具有技术成熟、风机厂商进入的门槛低、制造成本低、非全功率变流器容量小等优点，但是同时也具有运行范围较窄、转子花环部分容易磨损、齿轮箱机械部件故障率高维护量大、对电力品质相对较差等不足，这种齿轮箱加常规电机的传统技术路线，将有可能在即将到来的新一轮风能产业技术革新中被新的技术方案所取代。

（2）直驱同步风力发电机

直驱风力发电机组包括风机叶轮、多极低速同步发电机、全功率变流器等。风机的控制系统主要靠变流器对发电机输出电流进行调节，从而实现对转矩的调节。由于此类发电机组中风力机与发电机直接连接，而不使用齿轮箱即“直接驱动”的风力发电技术，因而被称为直驱风力发电机。

与双馈式风机不同，此风机系统的输出功率通过全功率变流器输送到电网中而与电网彻底隔开，电能品质优越，同时直驱风力发电机组省去了故障率高的齿轮箱，传动系统简单，可靠性增加，维护性好，由于低负荷下能发出更多的电能，又使其具有较高的效率。

（3）混合传动风力发电机

混合传动风力发电机包括风机叶轮、齿轮箱、中高速发电机及全功率变流装置。风机叶轮转速经齿轮箱后被升高至100-2000r/min的中高速等级，再与中高速等级发电机相连，发电机发出的功率通过全功率变流器后并网运行

相比三级齿轮箱的双馈方案，此种技术方案可将传动系统简化，可靠性高，电能品质优越，相比带低速发电机的直驱方案，其发电机转速高，尺寸重量大幅降低，制造难度降低，运行稳定性也有所提高。

（4）对比关系

根据上述分析，对各种性能指标进行总结，并列在表1中。

可以看出，双馈机虽然技术门槛低，价格便宜，但在电能品质、维护性和稳定性都不及其他两种方案，制约直驱机组的主要方面是发电机尺寸重量过大，也带来了机舱与塔架的设计与制造难度，并随着功率的增大难度加剧，而混合传动虽然在维护性和经济性居中，但其中速电机尺寸相对较小，机舱内部更加紧凑，相应零部件设计制造简单，在未来更大功率风机应用上将具有显著优势。

3、大型永磁风力发电机的技术难点

（1）电机设计难点

永磁体是永磁电机代替传统电机励磁系统的关键部件，同事它也是磁路的组成部分之一。由于不同型号永磁体的内在磁性能差异较大、此路结构形式多样、漏磁路复杂且漏磁比例较大，同时还要考虑故障下的过流冲击及正常运行时工作温度带来的永磁退磁问题等，都使永磁发电机的电磁设计变得异常复杂。而永磁体材料中有大量的稀有金属，如果永磁材料用得过多会造成成本的增加，过少又达不到使用要求，因而兼顾经济性与稳定性也是方案设计的重要考核目

标之一。

除了合理的磁路设计，还要考虑如何确切地计算出风力发电机的起动阻力矩并采取措施予以降低，如果起动阻力矩小，发电机在较低风速便能起动发电，就可以更加有效地利用资源，提高发电性能。

在开发永磁风力发电机时，电机的温升也是电机设计的主要关键点。由于永磁电机运行在风机上，空间狭小，散热性能较差，如果电机散热设计不合理，工作温升过高会导致永磁体退磁，带来电机出力不够、效率下降等一系列问题，因而如何利用有限空间，同时兼顾经济性及运行效率，设计出合理的散热系统是一个重点与难点问题。

此外，风机往往运行在戈壁、盐海、滩涂及海上等环境恶劣的地方，尤其对于大功率机组安装在海上将是未来的一个必然趋势，因而如何对电机进行防护将是设计成败的关键因素。如果永磁体不能很好地防护，表面腐蚀会导致电机性能下降，而盐雾、风沙以及雨水的侵蚀，也会造成电机绝缘性能的下降，严重时将会造成击穿事故的发生。

3.2电机工艺难点

目前大功率电机均采用先将永磁体充磁后，再安装到转子上，这就带来了永磁体的安装问题。磁极由多个永磁体组成，永磁体由专门的磁材厂家制作并充磁，目前风电用永磁体多为烧结工艺制作，永磁体机械强度小且易碎，同时永磁体的强磁性又使其容易吸附在铁心、转轴等地方，增加了安装难度，尤其对于内置式结构，一旦安装中发生永磁体破碎，碎块残留在转子铁心内部，很难清理，因而必须