永磁电机在风力发电系统中的应用及其发展

郭政建+冀飞莺

摘  要：永磁电机在风力发电系统中的应用，主要包括四种类型，即低速、中速、高速直驱与高速双馈驱动风力发电系统，并且不同类型的性能和特点不同，文章分析了永磁电机在风力发电系统中的应用，并探析了其发展趋势，以供参考。

关键词：永磁电机;风力发电系统;应用;发展

中图分类号：TM273     文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2016）03-0046-02

全球经济快速发展的背景下，对天然气、煤炭、石油等不可再生资源的需求量不断增加，上述资源的过度开采和利用，对环境造成了严重的破坏和污染，资源储量也在快速降低，为了实现人类和环境的和谐发展，必须将能源和环境提到日程中。风力发电是利用风能的一种新型技术，永磁电机具有运行可靠、效率高、功率密度大等特点，其在风力发电系统中的应用，能够有效的提高风力发电系统生产水平和效率。因此，文章针对永磁电机在风力发电系统中应用和发展的研究具有非常重要的现实意义。

1  永磁电机在风力发电系统中的应用

1.1  风力发电系统的类型及特点分析

从发电机结构来看，风力发电系统包括四种类型，即低速直驱永磁电机风力发电系统、中速半直驱永磁风机风力发电系统、高速永磁电机风力发电系统、高速双馈电机风力发电系统。四种不同类型发电机系统的特点表现为：

1.1.1  低速直驱永磁电机风力发电系统

低速直驱永磁电机风力发电系统所示，兆瓦级直驱永磁风力发电机具有绕组匝数多、频率低、极数多、直径大、转速低等特点，因此中速永磁电机和高速永磁电机的设计特点存在差异，其中低速永磁电机的体积较大，材料用量较大，尤其是永磁材料的用量较大，其价格昂贵，会增加成本。

因此，基于成本考虑，低速直驱永磁电机风力发电系统应该考虑以下几个方面：①电机结构设计，应该采用横向磁通结构、轴向磁通结构以及径向磁通结构三种;②冷却方式设计，通常在定子机壳外增加散热筋，能够进行自然风冷;③电磁负荷设计，应该严格控制定子绕组电流密度，不能过高，防止绕组匝数过多增加电能损耗。

1.1.2  中速半直驱永磁电机风力发电系统

  中速半直驱永磁电机风力发电系统所示，该种类型风力发电系统的设计相对灵活，设计难点包括发电机额定转速、运行速度范围两个方面，通常状况下，中速半直驱永磁电机风力发电系统采用以及或者二级增速机构。

1.1.3  高速永磁电机风力发电系统

高速永磁电机风力发电系统，如图1所示，该种类型风力发电系统的优点表现为：降低电机重量与体积，有效提高电机功率密度;降低转子铁耗与铜耗，既能够提高电机运行效率，又能够节约成本;取消电刷、集电环，提高了电机运行的安全性和稳定性。例如，某企业生产的1.5 MW高速永磁风力发电机，电机重量为5 t，尺寸为2 500×1 700×1 800 （mm），而同功率的双馈风力发电机重量为6 t，尺寸为3 150×1 600×1 850（mm）。

1.1.4  高速双馈电机风力发电系统

高速双馈电机风力发电系统，如图2所示，该种类型风力发电系统定子绕组电压频率受电网频率影响，只有确定额定转速，才能够确定电机的极数。在额定转速下，高速永磁电机风力发电机的电流频率较高，所需功率较小，并且成本较低。但是，转子损耗较高，会产生大量的热量，在设计时需要重点考虑。1.2  不同类型风力发电系统的性能比较分析

1.2.1  成本对比分析

不同结构永磁风力发电系统的结构不同，其制造成本也存在一定差异。但是受原材料、加工费、市场物价等众多因素的影响，不同结构永磁风力发电系统成本难以准确的对比，通常从以下几个方面进行对比：发电机是风力发电系统的重要组成部分，在系统总成本中占据非常大的比例，以某2 MW直驱永磁风力发电系统为例，发电机成本占总成本的25%、风力机成本为29%、电控/变流器成本占15%、驱动链的成本为12%、变压器成本占2%;高速永磁电机风力发电系统的总成本比低速直驱永磁电机风力发电系统低34%。

1.2.2  运行可靠性对比分析

由于无变速箱、无集电环电刷，四种不同结构的永磁电机风力发电系统的运行可靠性由高至低依次为：低速直驱永磁电机风力发电系统、中速半直驱永磁电机风力发电系统、高速永磁电机风力发电系统、高速双馈电机风力发电系统。

1.2.3  发电量对比分析

以2 MW发电机为例，四种不同结构永磁电机风力发电系统平均发电量由高至低依次为：中速半直驱永磁发电机风力发电系统（104.4%）、低速直驱永磁发电机风力发电系统（103.0%）、高速永磁电机风力发电系统（101.7%）;高速双馈电机风力发电系统（100%）。

2  永磁电力风力发电系统的发展趋势分析

2.1  电机控制技术

永磁电力风机发电系统电机控制技术的发展方向，主要集中在提高机组效率、电能质量以及运行可靠性方面，从发电机控制、功率变换控制方面来看，采用多绕组、多相结构，既能够提高系统运行可靠性，又能够保证电机的出力。

2.2  电机冷却技术

近年来，电机冷却技术研发非常活跃，电机冷却技术发展主要包括以下几个方面：高温超导技术，该种技术主要是基于低成本高温超导线材发展也兴起的，目前尚处于实验阶段;蒸发冷技术，具有电机效率影响小、增加电流密度、铜耗少等优点。

2.3  电机制造工艺

电机制造采用模块化方向发展，主要是因为该种制作方式具有便于制造、运输、现场安装以及检修等。

2.4  电机结构型式

未来电机结构型式主要向以下几个方面发展：组合式永磁电机，提出了多转子、多定子的横向磁通、轴向磁通永磁风力发电机，显著提高了功率密度，减小电机体积;无铁芯定子永磁电机，能够降低电机噪声与振动、消除齿槽转矩脉动、降低电机重量。

3  结  语

总而言之，永磁风力发电系统的结构类型众多，永磁用力发电机技术逐渐向组合化、结构形式多样化、制造工艺模块化等风向发展，不断的提高风力发电系统的运行可靠性和效率。

参考文献：

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[2] 王凤翔.永磁电机在风力发电系统中的应用及其发展趋向[J].电工技   术学报，2012，（3）.

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