永磁式風力發電機的關鍵技術

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

目前世界上大約有10 家大型風電設備制造廠商，其中一半以上都在進行永磁發電機技術的研究和推廣。采用永磁發電機來取代現有的雙饋式異步發電機，方法很簡單，那就是采用相同轉速的永磁發電機和全功率變流器來取代有升速齒輪箱的雙饋式異步發電機，只要對風力機和機艙的布置進行很小的改動即可。采用永磁技術的優點如下：(1)可以制成具有10～20r/min的低轉速、大轉矩的直驅式風力發電機；(2)可以采用各種結構形式，比如帶有外轉子的軸向磁通發電機；(3)可以使發電機達到高效率、高轉矩，卻不需要向勵磁系統連續地輸入能量；(4)可以使發電機產生比較低的同步電感，卻具有比較高的轉矩。

釤鈷具有的良好磁特性，可以制造高性能、高效率的永磁電機，尤其是小型電機。但是由于價格比較高，影響了它的大規模應用。80年代研究人員發現釹鐵硼的磁特性要比釤鈷好，但是在初期材料溫度的穩定性限制了它在低溫設備上的應用。提高了釹鐵硼的溫度等級和耐腐蝕性能后，為高效永磁電機的發展開辟了道路，其中包括大中型風力發電機。

但永磁技術也存在一些需要解決的問題：(1)永磁體能否退磁；(2)剩余磁通密度如何隨著時間而變化；(3)永磁體的機械和化學性能是否穩定；(4)稀土原材料能否長久供應；(5)永磁體材料的價格問題。因此有必要了解一下有關永磁體風力發電機的最新發展情況，以及在開發和運行維護過程中應當注意的幾個問題。

1 永磁材料的特點

1.1 材料選擇

永磁材料對于發電機設計的影響很大。其中，實現切向應力的最大化，是最重要的設計特征。由于應力與氣隙線電流密度和氣隙磁通密度成正比，對于低轉速和高轉矩的發電機，將永磁體直接裝在轉子表面，可以最有效地利用永磁材料。

選擇的永磁材料，應當能夠提高氣隙磁通密度，同時還要具有比較高的剩磁、比較高的矯頑磁力和能夠承受高溫的作用。永磁體的磁通密度應當高于它的最佳磁能積。與銅耗相比，它的鐵耗很小。采用直驅式結構時，幾乎只產生單一的銅耗。因此，鐵心材料應當具有比較高的飽和磁通密度。

永磁體外形尺寸應當選擇比較厚的材料，以便使它的運行點更接近材料的密度。但是材料用量比較大，重量和成本高，應當折中考慮。

1.2 加強冷卻

轉子的溫度，更確切的說就是永磁體的溫度。永磁體的矯頑磁力以及抵抗外部磁場的能力，主要依賴的就是這個溫度。發電機的短路計算和確定永磁體的參數時，都必須在轉子溫度最高的情況下進行。此外，這個溫度是考慮退磁危險的關鍵參數。永磁體的剩磁密度也取決于這個溫度，它能影響發電機的性能和損耗。永磁體的溫度越高，電壓越低，就需要更大的定子電流，銅耗也增大，此時必須考慮加強冷卻。

1.3 保證穩定性

就像其它所有工程材料一樣，永磁材料的穩定性也只能局限在一定的物理限制范圍內，而產品設計的任務就是要保證它運行在這些物理限制范圍內的穩定性。因此釹鐵硼永磁體必須避免由于不可控溫升和腐蝕而發生的退磁現象。近年來釹鐵硼永磁體的發展很快，已經達到了抗腐蝕性能和耐熱性能的要求。只要保持它的穩定性，就可以延長其運行使用壽命。

1.4 避免退磁

退磁是一個隨著時間變化的過程。在溫度低于居里溫度(釹鐵硼的居里溫度為310℃～400℃)時，由于反向磁場的作用就會引起退磁。反向磁場可能是外加的磁場或是永磁體本身的磁場，每一種永磁材料都有自己的退磁特性，即剩余磁通密度和矯頑磁力之間的關系。矯頑磁力即永磁材料抵抗反向磁場作用的能力，它決定了永磁材料退磁的反向磁場強度，在遠小于矯頑磁力磁場的情況下，永磁體不會發生永久退磁。

釹鐵硼永磁體材料具有很高的比能。其磁導率通常為1.05。它的去磁曲線表明：磁性材料的特性取決于溫度。當它的溫度超過最大允許值時，就可能會導致永磁體材料的可逆或不可逆失磁。磁極的工作點設計在0.6～0.8T范圍內。永磁體典型的設計溫度為80℃，最高溫度為90℃(包括正常和非正常工況下)。鑒于磁場強度取決于溫度，所以發電機的感應電壓會受到溫度變化的影響。相對于磁通密度和磁場強度的永磁體材料的溫度系數，分別為0.09%/℃和0.61%/℃。因此，當永磁體的溫度降低時，永磁同步發電機的內電勢就比較高。

釹鐵硼永磁體的矯頑磁力隨著溫度的升高而減小，但是卻可以通過與其它稀有金屬合金化處理來增大。不含合金元素時，釹鐵硼的耐熱溫度只能達到60℃。如果增加鏑，其最高溫度就能達到200℃或更高。如果永磁體的工作環境溫度和磁場強度是在可控范圍內，永磁體的退磁就可以避免。

1.5 減少磁能損失

永磁體的老化問題主要是指它的磁能損失隨著溫度和時間的變化。由于磁化強度取決于磁場，當外部磁場低于矯頑磁場時，磁化系數很小，磁化強度是穩定的。當永磁體的磁化系數為0.5時，永磁體不可逆退磁時的磁通損失隨著溫度和時間的變化見表1。在選擇材料時，一定要考慮與時間有關的磁能損失。

表1 磁化系數為0.5的永磁體隨著溫度和時間而變化的不可逆退磁時的磁通損失(%)

1.6 防止腐蝕

為了防止機械和化學因素的影響，釹鐵硼永磁體必須受到保護。由于脆性是粉末冶金產品的一個典型特性，所以永磁體是易碎的，不能用它作為承受拉伸載荷的元件。

在上個世紀80年代，市場上出現了采用燒結工藝制成的釹鐵硼永磁體，同時發現必須采取防止腐蝕的措施。否則，就會容易產生晶間腐蝕，并導致永磁體粉碎。近年來，推出了它的解決辦法，即通過改變永磁體的冶金微觀結構，來盡量減少或者避免晶間腐蝕。因此，在一般情況下，現在的釹鐵硼永磁體可以不必采取防止腐蝕措施。但是，應用在潮濕或海洋環境下，就必須采取浸漬樹脂、密封、防止潮濕或外加覆蓋層等措施。制定和應用的測定腐蝕的方法是：將永磁體暴露于高溫度或高濕度的環境中來進行測量。

2 永磁電機優點

新型永磁轉子同步發電機的優點如下：(1)勵磁電壓恒定—永磁體內的電勢保持恒定不變，因為它取決于永磁體的幾何形狀和尺寸；(2)轉動慣量較小—包括風力機透平轉輪和永磁式轉子在內的轉動部分的轉動慣量只有0.1～0.4；(3)同步電抗很低—只是常規同步發電機的40%～50%；(4)瞬態電抗為0，因為沒有勵磁繞組；(5)次瞬態電抗也小—只是15%～35%；(6)永磁體內電勢—額定電壓的100%～130%；(7)縱軸電抗與其橫軸電抗，兩者相等；(8)無功功率控制—因為發出的無功功率，取決于發電機的端電壓與恒定的永磁體內電勢之差，只要調節發電機的端電壓，就可以調節無功功率輸出；(9)電機感應電壓—它與發電機轉速呈線性關系；(10)裝有阻尼繞組—可以使發電機能夠承受反向電流，并防止短路工況下的局部去磁；(11)它是一種魯棒性能好、維護成本低、工作效率高的發電機。

在對比永磁技術與傳統技術時，經常采用的主要評判標準是：額定點的工作效率。在許多情況下，這種對比是完全不正確的。因為風力發電機在一半以上的時間里，是在部分負載情況下運行的。它的投資回報時間主要取決于年發電量。雙饋式異步發電機的工作范圍局限在同步轉速的±30%之間，即它的相對速度為0.54～1(p.u.)。永磁式發電機能在0.2～1的范圍內運行。因此，永磁式發電機的總效率更高，發電量也更高。永磁發電機的另外一個優點是：由于不用碳刷和滑環，它幾乎沒有需要維護的零件。

表2 各種類型2MW風力發電機不同平均風速時的年發電量(MWh)

3 機組結構型式

風力發電機的驅動系統和結構布置型式基本上有三種，即高速、中速和低速系統。

3.1 雙饋式高速系統

這種高速系統是最常見的。它利用升速比為1：100的齒輪箱。可使發電機達到1000～2000r/min的高轉速。由于這種異步發電機的調速范圍只是同步轉速的±30%，轉子變流器的額定容量也只有發電機額定容量的30%，可以達到97%的最大效率。所以，它具有比較高的能效。但是變流器卻需要額外的保護。

3.2 永磁式高速系統

在高速系統中，采用永磁式同步發電機時，需要配備全功率的變流器，以便解決雙饋式異步發電機存在的電網電壓降低時的穿越能力問題。這種永磁高速發電機的設計關鍵是永磁體必須受到機械保護(比如設計成為內置式永磁體)，并防止退磁。當永磁體發熱，或發電機端部發生兩相或三相短路時，就有可能發生退磁現象。

防止退磁的方法有如下幾種：(1)提高定子漏磁；(2)降低磁化電感；(3)選擇矯頑磁力比較高的永磁體；(4)進行精細的設計。但是既要發電機效率高，又要減少退磁風險 ，就可能增加成本，減小市場競爭能力。

3.3 永磁式中速系統

此時齒輪箱的增速比為 1：10，發電機的速度為 150r/min 左右。與高速系統相比，它的極數比較多，漏電感也比較大，但是轉子永磁體可以采用表面貼服式，退磁風險也明顯減小。這種發電機本身沒有軸承，其轉子依靠齒輪的次級軸支撐，可以節省空間和重量。由于速度相對比較低，可以使效率達到最大數值。與高速系統一樣達到鐵耗與銅耗的平衡。

3.4 永磁式低速直驅系統

采用直驅式時額定轉速低，只有12～15r/min。這種很低的轉速只有同步電機，特別是永磁同步電機能做到。但是發電機本身不能實現鐵耗與銅耗的良好平衡，而以銅耗為主。為了增大功率，如果轉速很低，就只能增加直徑和轉矩。所以，風機的轉矩必須與發電機的轉矩相匹配。實際上，發電機的轉矩決定了轉子的尺寸大小。直驅式的結構設計應當使麥克斯韋應力的切向應力實現最大化。此時，最好采用表貼式永磁體，可以獲得盡可能小的磁化電感值。當轉速為14r/min時，可以使切向應力從45kPa提高到60kPa，功率可以達到4MW而不是3MW。為了提高切向應力，就必須采用有效的冷卻方式。如果功率達到5～6MW，必須采用直接冷卻方式。

除了表貼式永磁體結構以外，還可以采用外轉子結構。由于永磁體裝在外轉子的內表面，而其外表面在自由流通的大氣中轉動，永磁體的冷卻很有效。由于發電機極數很多，漏電感很大，能夠有效地防止退磁危險。

采用直驅式時，轉矩脈動非常重要。因為脈動頻率能夠輕易地引起風機系統機械振動，特別是低轉速時，如果出現齒-槽轉矩，發電機就不能運行。當轉速為14r/min時，轉矩脈動能達到額定值的33.99%。如果轉速低到2r/min時，其轉矩脈動就非常嚴重。但是，在轉子表面安裝正弦型永磁體，可以使其脈動峰值減小到0.5%。

開發應用的定子線圈采用超高壓新技術的大型永磁發電機已成功運行。它可以直接并網而不需要經過變壓器，也不用齒輪箱和電刷之類的磨損器件，這種新型風電機組上個世紀末已在瑞典的海上風電場投入運行，共2臺，單機容量3MW(已完成3～5MW的產品設計)，風輪機中心高70m，轉輪直徑90m，3個葉片，每個葉片長45m，由環氧玻璃鋼制成。發電機轉子為具有多極結構的大直徑圓盤式永磁體，直徑6m，這是至今為止世界上最大的永磁式轉子，轉速為18r/min，為了適應海上運行，永磁體采用防腐材料。機組可在5～28m/s的可變風速下運行，風速達到額定值13m/s時發出額定功率，此時風葉轉向順流節距，已限制輸出功率，保證設備運行壽命。

4 結語

(1)在風力發電機組的各種結構布置型式中，永磁式機組具有許多突出的優點。由于世界上單機容量最大的3MW機組已經成功運行多年，5MW的機組也已經完成技術設計，進一步促進了永磁電機快速發展的廣闊前景。

(2)在開發和運行的過程中，嚴格按照永磁式風力發電機的機組結構型式和特色來操作，并不斷積累經驗，就可以保證永磁風力發電機的運行壽命在30年以上。

(3)我國應當充分利用稀土金屬量大這個得天獨厚的優勢，大力發展永磁電機工業。

[1] 永磁風力發電機結構特點.大中型風力發電機文集(D),哈爾濱大電機研究所，1996.

[2] 戴慶忠.超高壓永磁發電機.超高壓電機文集(D)，哈爾濱電機廠有限責任公司，2004，1-5.