永磁直驱风力发电机技术综述

永磁直驱风力发电机技术综述

左禾

（西安中车永电捷力风能有限公司陕西西安710000）

摘要：风能是一种清洁的可再生能源，其分布面广，开发利用潜力巨大，而风力发电则是最为常规的风能利用技术。永磁直驱风力发电机采用永磁体作为励磁系统，由风轮直接驱动发电机，是风力发电机的主要发展方向，通常采用径向气隙以及轴向气隙结构，包括减小起动转矩、冷却和散热设计、永磁体的固定以及发电机的防雷设计等关键技术。文章就永磁直驱风力发电机技术进行相关分析。

关键词：永磁直驱；风力发电机；技术应用

1风力发电机

1.1风力发电机含义

风力发电机主要是一种电力设备，其能够把风能转为机械功，从而带动转子旋转，最后输出交流电。在广义上，风能也作为太阳能，因此，风力发电机也是以大气为介质、太阳为热源的热能利用发电机。

1.2风力发电机原理

风力发电原理说来很简单，但做起来很难，其利用风去带动风车叶片使叶片旋转，再通过增速机提高叶片旋转速度，以此促使发电机进行发电。风力发电相较于柴油发电要好很多，因为其利用自然能源。风力发电不能够作为备用电源，但其使用寿命长，可长期利用。

1.3风力发电机类型

（1）异步型，包括笼型异步发电机和绕线式双馈异步发电机。（2）同步型，包括永磁同步发电机和电励磁同步发电机。（3）水平轴，目前利用最多的风力发电机类型。（4）垂直轴，新型的风力发电机。与水平轴风力发电机相比，其效率较高，且没有噪音，维护简单，中小型发电机首选。

1.4永磁直驱风电机组的结构组成

永磁直驱风力发电机组没有齿轮箱，风轮直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发电机，采用永磁体代替励磁线圈，减少了励磁损耗。此外，永磁电机无需从电网吸收无功功率来建立磁场，由于没有励磁装置，减少了很多电气设备，从而使机组具有可靠、高效、方便安装和维护等很多优点。因此，永磁直驱风力发电机组代表了未来风电行业的发展方向。

2永磁直驱风力发电机关键技术

根据永磁直驱风力发电机的设计要求，主要包括以下关键技术。

2.1减小起动转矩

由发电机齿槽效应带来的起动转矩，限制了风力发电机的稳定运行范围，导致风能利用率的降低，因此，在设计永磁直驱风力发电机时，降低起动转矩是一个重要设计要求，通常采用转子斜极、定子斜槽以及分数槽来减小起动转矩。

2.2冷却系统

对发电机散热，目前常见的冷却方式有空冷、氢内冷、氢外冷和直接液冷等。

2.3永磁体却和散热设计

目前，普遍采用先充磁后装配的方法来安装永磁体，由于永磁体吸力很大，需采用专门的磁钢安装工装，以保证人身和设备安全。为减小吸力对装配过程的影响，也可以采用先安装后磁化的方法来安装永磁体。

此外，由于永磁体是固定在发电机的转子上，在转子旋转时，会产生较大的离心力，特别是内转子结构的发电机，永磁体固定在转子外侧或外表面，离心力会使永磁体的固定存在困难。

2.4发电机的防雷设计

永磁直驱风力发电机组通常安装在空旷的地区或是雷暴比较频繁的沿海地区，容易遭受雷击，因此设计防止风力发电机组在雷击过程中受损坏的防雷系统显的尤为重要。

2.5绝缘系统设计及绝缘材料的选用

永磁直驱发电机运行的可靠性和运行寿命主要取决于绝缘系统的设计及其材料选用，由于风力发电机使用的特殊地理环境（戈壁、草原、沿海等），对发电机的绝缘系统及绝缘材料有着特殊的要求，如防震、抗潮、耐盐雾及在低压、大电流绝缘系统的机械强度和因机械性能下降引发的绝缘性能衰退以及特殊环境下运行绝缘系统的耐候性问题等。因此，合理绝缘系统的设计及其材料的选用，对电机性能有至关重要的作用，在很大程度上决定了电机的效率和可靠性等因素。

3控制系统的关键技术

控制系统作为风电机组的关键组成部分，其性能直接影响到机组的性能，效率和稳定性。目前，较为先进的风电机组控制系统多采用变速恒频技术和变桨距控制技术。变速恒频技术使风力发电机组在不同风速下变转速运行，极大的提高了机组发电效率。而风轮是风力发电系统捕获风能的重要部件，直接影响着系统的安全性与稳定性，因此变桨距控制技术也是风电控制系统的关键技术。

3.1变速恒频技术

在风力发电系统中，风速的变化率较高，为了尽可能的提高风能利用率，目前的主流风力发电机组多采用变速恒频技术，即风力发电机可以在不同的风速下运行在不同的转速范围内，追踪最大Cp值，使机组的发电效率提升。

风电机组的转速控制决定了整个系统的性能、发电效率以及输出电能质量。现阶段的风力发电机组有恒速风电机组和变速恒频风电机组。

恒速风电机组在运行时转速不变，但由于风速是时刻变化的，所以机组转速偏离最佳Cp点，风能利用率较差。因此恒转速运行的机组的发电效率比较低。所以，目前的主流机型多为变速恒频发电机组，永磁直驱风力发电机组就是变速恒频风力发电机组，此机型由于拥有全功率变频器，即发电机定子出线端连接变频器整流侧，经变频器整流再逆变后上网，与电网保持同频同压同相，从而实现机组的变速恒频运行。机组在低于额定风速以下工况运行时，控制系统通过控制变频器转矩实现对发电机转速的调节，使机组始终运行在Cp最大的区域，控制框图如图1所示，在此过程中，变桨角度始终为0度。主控制系统只根据发电机转速计算转矩值并传输到变频器，由变频器实现对转矩的控制，从而实现对发电机转速的控制。

图1

3.2变桨距控制技术

在风力发电系统里，由于风速是变化率很高的物理量。为了最大限度的提高风能转换效率，保证机组的安全运行，保证风电机组稳定的输出功率，风机需要进行变桨距控制，变桨距机组通过调节桨距角实现对转速和功率的控制。在额定风速以下时桨距角一般处于0度左右。此刻，叶片吸收风能效率最高，风机做定桨距运行，发电机的转速和功率随风速变化。

当风速高于额定风速时，风功率会快速上升，为了使机组运行在额定转速和额定功率附近的区域内，变桨距机构必须调整叶片桨距角，降低风能利用率。由于风速是变化量很快的物理量，而风功率与风速的三次方成正比，因此在额定风速以上时，叶轮吸收的功率波动很大，这要求变桨距系统有很高的实时性和可靠性，来适应快速波动的风功率。变桨距控制的目标为发电机转速，即通过调节桨距角来使发电机稳定运行在额定转速附近，在此工作模式下，转速调节器通过比较发电机实际转速和目标转速的误差，计算变桨角度，并传输到变桨执行机构中，达到目标桨距角，从而实现转速恒定的控制过程。

综上所述，目前的研究主要在于提高功率密度和运行可靠性，降低制造成本，此外，提高永磁体的磁性能，克服永磁材料的高温不可逆退磁问题也是主要的研究方向。

参考文献：

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