MW级永磁风力发电机设计特点

2 与变流器集成设计
用IGBT可控整流
E0 = UN
a) I = IN
U < UN
b) I = IN
U = UN
E0 jIXa
I
U
额定（KVA），Xa=0.8p.u. 频率变流器 发电机电枢
a)
1.28PN 1.28 PN
E0 < UN
c) I = IN
U = UN
3 提高可靠性的关键技术
3.3 对永磁材料性能的其它要求 风电用SH级钕铁硼磁体温度系数要求： 1.剩磁（Br）的温度系数： 优于－0.11％/k（20-150℃） 2.内禀矫顽力（HCJ）的温度系数： 优于-0.55％/k（20-150 ℃） 3.平均不可逆磁通损失率＜0.5％，单磁体 最大不可逆磁通损失率＜1.0％。
3 提高可靠性的关键技术
3.1 永磁风力发电机防失磁技术
2.设计时必须使最高工作温度时最大去磁工作点高于拐点
对于钕铁硼永磁风力发电机，在最大 电流时永磁体的工作点必须高于最高工 作温度时退磁曲线的拐点,这有别于传统 的设计理论与计算方法。
3 提高可靠性的关键技术
3.1 永磁风力发电机防失磁技术
2.设计时必须使最高工作温度时最大去磁工作点高于拐点
2 与变流器集成设计
E0的变化很大： 1）风轮转速变化； 2）温度变化； 3）空载到负载的△U。 要求全功率变流器实现恒频恒压。
目前，国内外主要的风电变流器产品（直驱）其基本结构 主要有两种，一一种种是是双二P极W管M整直流驱+用BO型O，ST采升用压P及WMPW整M流逆变
+方P式WM；逆变方式，常说的“背靠背”结构。
E0
I
jIXa
U
b)
1.09 PN 1.09 PN
c)
1.28 PN 1.28 PN
2 与变流器集成设计
二极管整流 IGBT可控整流
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
铁心长
永磁体用量 铜的用量
冲片用量 有效材料总重
1.65MW半直驱永磁风力发电机不同整流器类型电机的铁心长与有效材料用量比较
目录
1 各种风力发电机的比较 2 与变流器集成设计 3 提高可靠性的关键技术 4 多发电的关键技术 5 减轻重量的关键技术 6 结束语
缺点：
1 电机仍存在滑环，故障 率高
2 低电压穿越能力较差 3 负载波动对电网冲击大
1 各种风力发电机的比较
3）永磁风力发电机
1 各种风力发电机的比较
3）永磁风力发电机
优点： 1 多极、低速，很容易实现直驱，取消了中 间的齿轮传动环节，增加了系统的可靠性和 传动效率； 2 无需励磁电源，效率高，损耗小，特别是 在低负荷区效率高，适合风电特点； 3 电能品质好，对电网无冲击，低电压穿 越性能好； 4 电机自然风冷
缺点： 1 质量重、体积大 2 需全功率逆变器 3 设计制造技术难
度大， 成本较高
1 各种风力发电机的比较
4）电励磁同步发电机
优点： 具有良好的调磁能力； 对电网兼容性好； 功率因数调整灵活； 低电压穿越能力强。 缺点：
❖ 转子滑环需要维护； ❖ 电励磁绕组需要冷却； ❖ 整机成本高。
液压变速齿轮箱方案
MW级永磁风力发电机 设计特点
唐任远
国家稀土永磁电机工程技术研究中心 沈阳工业大学特种电机研究所
目录
1 各种风力发电机的比较 2 与变流器集成设计 3 提高可靠性的关键技术 4 多发电的关键技术 5 减轻重量的关键技术 6 结束语
1 各种风力发电机的比较
1）异步风力发电机
1 各种风力发电机的比较
3 提高可靠性的关键技术
要求在野外恶劣环境下可靠运行20年，维修极端困难。 3.1 永磁风力发电机防失磁技术
1.钕铁硼永磁在最高工作温度时退磁曲线为直线或其拐点低于 某值（如0.1T）
电机在弱磁调速、起动、反向、 突然短路等情况下，会有很大的去 磁电流，在电机内产生退磁磁场， 使永磁体的工作点急剧下降。钕铁 硼永磁在高温时的退磁曲线不是直 线，如果最大去磁工作点低于永磁 体退磁曲线的拐点, 永磁体将会发 生整体失磁(或局部失磁)。
1）异步风力发电机
优点： • 传统电机结构， 简单、可靠； • 标准化程度高， 便于采购； • 制造成本低；
缺点： • 风能利用率低； • 机组载荷冲击大； • 对电网冲击大。
1 各种风力发电机的比较
2）双馈异步发电机
1 各种风力发电机的比较
2）双馈异步发电机
优点： 1 无需全功率逆变器 2 零部件标准化程度高 3 电机 成本较低
1 各种风力发电机的比较
7）超导同步发电机 优点： 体积小，重量轻； 效率高，与常规发电机相比，效率可提高 0.5%~1%； 同步电抗小，有助于电力系统的稳定性； 绝缘设计要求降低。 缺点： •超导磁体线圈的费用相对较高； •处理和应对低温条件的经验相对缺乏。
目录
1 各种风力发电机的比较 2 与变流器集成设计 3 提高可靠性的关键技术 4 多发电的关键技术 5 减轻重量的关键技术 6 结束语
失重参数 HAST标准：温度130℃，相对湿度95％， 压力0.26Mpa，480小时，最大失重不超 过3.0mg/㎝2
3 提高可靠性的关键技术
3.3 对永磁材料性能的其它要求
钕铁硼磁体性能一致性要求： 1.不同交货批次全部产品磁体，磁通最大性能差小于3.0％ 2.相同交货批次全部产品磁体，磁通最大性能差小于2.0％ 3.差值呈正态分布
1 各种风力发电机的比较
6）混合励磁发电机
样机的定转子图
1 各种风力发电机的比较
6）混合励磁发电机
综合电励磁及永磁体励磁两种电机优点的混合励磁同步 发电机，可实现变速恒压，适用于直流供电的分布电网。
优点： 实现了无刷化，免维护； 可以进行电压调节； 辅助电励磁部分的损耗小，
具有高效率。
缺点： 体积大； 结构工艺复杂。
用传统的计算方法计算的最
大退磁工作点是平均值，不能反 映不同位置的实际工作点。
为了解决这个问题，需要用有 限元法计算最大退磁情况下各局 部工作点。
电机局部工作点分布曲线
3 提高可靠性的关键技术
3.1 永磁风力发电机防失磁技术
3.提高抗去磁能力的永磁体结构
3 提高可靠性的关键技术
3.2 抗腐蚀性能
优点： 省略变频器， 传动链柔性化。
缺点： 有一定程度的能量波动， 应用经验缺乏，并网机构 复杂。
1 各种风力发电机的比较
5）开关磁阻发电机
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。