直驅永磁式風力發電機的探析

殷月月

（大唐河南清潔能源有限責任公司，河南三門峽472000）

直驅永磁式風力發電機的探析

殷月月

（大唐河南清潔能源有限責任公司，河南三門峽472000）

文章通過對直驅永磁式風力發電機的講解,重點闡述了直驅式與雙饋異步發電機之間的區別。不僅從緒論基礎上進行簡單的總體介紹，涵蓋直驅永磁風力發電機的結構及工作原理以及直驅永磁風力發電機的特點。

直驅永磁式風力發電機；發電機特點；故障維修；雙饋異步發電機

直驅式（無齒輪）風力發電機的發展開始于20世紀末期，受限于電氣技術和成本等原因，發展速率比較平緩。但隨著科學技術的變革，應用領域不斷得到拓展，其優勢才得到逐漸發揮。目前直驅式（無齒輪）風力發電機技術領域內，德國、美國、丹麥的技術持續走在前沿位置。

風機市場的主要從20世紀末發生變革，具有無齒輪特性、還可以實現變速變槳距等優點的風力發電機應勢而生，高產能、運行維護成本低的先進機型有E-48、E-70、E-112等型號，單機容量從330kW瓦至2MW，生產于德國的ENERCON GmbH公司。此公司被譽為風能產業研究和發展的推動基礎，作為全球研制兆瓦級風力發電機的領先企業，1993年開始大規模制造直驅式（無齒輪）風力發電機。

1 概述

與原始的發電機相比，直驅永磁風力發電機改變了沉重的增速齒輪箱模式，將發電機軸直接連接到葉輪軸上，使轉子隨風速的大小發生改變，進而實現交流電頻率的變化。在經過置于地面的大功率電力電子變換器后，將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變成與電網同頻率的交流電輸出。

國際先進的無齒輪箱直驅風力發電機，多是采取低速多極永磁發電機，并使用一臺全功率變頻器將頻率變化的風電送入電網。齒輪箱是發電機組成系統中最易損壞的部件，出現受載多大和損壞率高的狀態，頻率比較高且不宜進行保養和維護。因此，無齒輪箱類型的直驅風力發電機兼具在低風速狀態下，始終保持超高的發電效率、低噪聲、高壽命以及低廉的運行維護成本等諸多優點。

2 結構及工作原理

（1）結構特點。直驅驅動式永磁發電機主要通過增加磁極對數從而使電機的額定轉速下降，減少了增速齒輪箱部件，其性能可靠性遠遠高于雙饋。而風力發電系統結構如圖1所示，風輪直接驅動永磁風力發電機，發電機輸出由可控硅整流后，再經過逆變器將能量發送給電網或蓄電池。

圖1 直驅驅動式永磁風力發電系統

直驅系統包含風力機（這里概括為：葉片、輪轂、導航罩）、變槳機構、機艙、塔筒、偏航機構、永磁同步發電機、風速儀、風向標、變流器、風機總控系統等部件。從部件放置的位置來說，交流器和風機總控系統位于塔筒的底部，剩下的設備器件全部設置在塔頂。發電系統的能量傳遞和轉換路徑是通過利用風力機將獲取的流動空氣的動能轉換成機械能，然后經過直驅系統中的永磁同步發電機時，再將風力機傳遞的機械能轉換為頻率和電壓隨風速變化而變化的不控電能，變流器把不控的電能轉換為頻率和電壓與電網同步的可控電能并饋入電網，從而最終實現直驅系統的發電并網控制。

（2）工作原理。直驅永磁風力發電機的基本工作原理，就是利用多極發電機與風輪連接進行驅動的方式，風力帶動風力機葉片旋轉，拖動直驅永磁發電機的轉子旋轉，實現發電。直驅永磁風力發電系統和籠型變速恒頻風力發電系統類似，唯一的差別在于所采用的發電機為永磁式發電機，轉子本身就是永磁式結構，不需另外設置勵磁電源，減少了功率損耗。而變頻恒速控制可以依據定子回路來進行控制，將直驅永磁發電機變頻的交流電經過變頻器轉化為電網系統頻率相同的交流電，完成風力發電的并網功能，需要注意的是變頻器的容量與系統的額定容量相同。

3 直驅永磁風力發電機特點

（1）發電效率高。直驅式風力發電機組由于缺少齒輪箱，大大減少發電過程中的傳動損耗，從而增加了發電效率，特別是在低風速狀態的效果更加明顯。

（2）可靠性穩定。齒輪箱作為整個發電系統中故障頻率最高的部件，直驅永磁風力發電機直接簡化整個系統，由于缺少齒輪箱及其附件，整個發電機組的可靠性得到改善。發電機組在低轉速下狀態時，旋轉部件較少，可靠性更加趨于穩定。

（3）系統的運行及維護成本低。采用無齒輪直驅技術直接減少了風力發電機組零部件的種類與數量，可以省去齒輪箱油定期更換以及維護的費用，降低了系統的運行及維護成本。

（4）電網接入性能優異。直驅永磁風力發電機組的低電壓穿越使電網并網點電壓跌落時，風力發電機組能夠在一定電壓跌落的范圍內實現不間斷并網的運行，從而維持電網的穩定運行。

4 直驅式與雙饋異步發電機的差異性

4.1 部件的差異

（1）發電機類型。雙饋機組基本上特指雙饋式異步發電機，而直驅機組則多是對低速多極發電機的簡稱。發電機的勵磁方式常常以永磁和電勵磁進行區分。勵磁發動機的生產企業中在全球活動范圍內較為領先的是德國的Enercon公司，其產品份額一直保持在市場占有率百分之十左右。永磁發電機主要由中國的金風和湘電兩家企業進行生產。

直驅式發電機具有很多優點，但是受轉數低且磁極數高的限制，通常保持磁極數在90極以上，造成體積和重量對比雙饋式機組顯得大了很多，需要嚴格把控軸承等轉動部件的質量等級。相較于直驅式發電機，永磁材料在震動、沖擊、高溫情況下易出現失磁的現象；其生產材料中有鐵成分出現，處于海上強鹽霧的狀態下，將無法解決材料的防腐問題；此外，由于永磁材料存在永久的強磁性，操作過程中出現問題時無法給予及時的修復，需要進行返廠處理，由于現場的無法及時的維護，給設備的運行造成極大的隱患。而雙饋式異步風電機則具有技術成熟可靠，成本低，重量輕以及易維護等優點，在實際應用中得到廣泛的普及，各個整機廠商也均采用雙饋式異步風電機。

（2）變頻器類型。直驅永磁風力發電機機組一般使用全功率變頻器，容量非常大，由于成本較高價格昂貴，且在變頻器運行時產生的諧波大。對比情況下，雙饋式異步發電機機組充分利用轉差功率經過變頻器實現雙饋發電機以小博大的優點，雖然變頻器容量小但價格低，機組產生的諧波小，在實際操作中被廣泛應用。

（3）齒輪箱的有無。直驅機組得驅動原理為風輪直接帶動發電機轉子旋轉，不需要齒輪箱作為中轉，直接減少了齒輪箱的機械故障，但風輪與發電機直接銜接會增加葉片的沖擊載荷，并且將其直接傳遞到發電機上，加大了發電機發生故障的概率。雙饋機組采用齒輪箱將風輪轉速進行提升，增加了發電機的使用效率，加上齒輪箱技術已經趨于成熟，不易出現設備故障。

（4）發電機的接入性能。直驅永磁式風力發電機在遇到機組突發性低壓時，整個網點的電壓處于低落狀態，可以進行穩定的不間斷的并網工作，有著較高的接入穩定性。

4.2 運維情況與故障維修

（1）運維情況。從低風速下的運行情況看，直驅式風機不受運行轉速下限的限制，而雙饋式風機存在著運行轉速的下限，所以從原理上來講直驅式風機的切入風速可以更低。但是，直驅式風機所使用的全功率變頻器的損耗功率會出現過高的現象，一般情況下，全功率變頻器的容量大概是雙饋風機中變頻器的三倍，所以變頻器的功率器件和冷卻等設備所消耗功率也要大很多。同時，風電機組可以吸收的風能與風速的三次方成正比，在低的切入風速的狀態下無法充分利用風能發電的原理。由此進行綜合比較，在低風速狀態下，雙饋式風機和直驅式風機的實際發電功率沒有較大的差異性。

（2）故障維護。直驅式風機與雙饋式風機在故障維修方面的差異性表現在故障率的概率問題。直驅技術由于沒有齒輪箱會減少相對應的故障率，直驅電機和電力電子裝置成本高；直驅電機技術不成熟；為了讓風速很低時直驅電機能夠發電，導致電機的級對數極多，一般都超過100對，使發電機的體積很大，容易出現磨損，加上永磁場的存在，無法在機組現場進行維護，一旦發生故障就要將整個機艙進行返廠，拆卸和安裝成本太高。而雙饋機型可以單獨對齒輪箱、發電機等部件單獨維修，其維護的成本與難度要低于直驅機型。

5 結語

直驅永磁式風力發電機為采用永磁發電機且風輪與電機直接耦合的風力發電機，改變了傳統模式下沉重的增速齒輪箱。永磁直驅發電機這個名詞代表著在傳動鏈中不含有增速齒輪箱，鑄造鋁鎳鈷是將融化的金屬合金澆筑到模具里，然后通過熱處理加工。由此鑄造出來的磁鐵呈現為暗灰色外觀和粗糙表面。經過磨加工的鋁鎳鈷產品表面具有類似鋼鐵般光亮的外觀。鋁鎳鈷磁鐵可以在高溫下工作。Alnico5在工業上運用最為廣泛，可用于機械、電機、儀表、傳感器設備、吸力件等等。Alnico8和Alnico9具有更高的矯頑力，形狀以圓柱和扇形為主，通常用于高科技領域，比如說石油勘探，航空航天等。眾所周知，為了實現發電機的并網必須滿足相位、幅頻、周期同步，鑒于我國的電網頻率為50Hz，這就充分說明發電機需要發出50Hz的交流電。根據轉速、磁極對數與頻率的關系式n=60f/p，可以得出：當極對數恒定時，發電機的轉速是一定的。所以，一般雙饋風機的發電機額定轉速為1800r/min，電機通過增加磁極對數來實現降低電機的額定轉速，不需要增速齒輪箱進行驅動，故名直驅。齒輪箱作為風力發電機組最容易出故障的部件，因缺少了這部分構件，永磁直驅的運行可靠性要高于雙饋。

殷月月（1992-），女，吉林通化人，大學本科，主要研究方向：風力發電。