直驱永磁式风力发电机的探析

殷月月

（大唐河南清洁能源有限责任公司，河南三门峡472000）

直驱永磁式风力发电机的探析

殷月月

（大唐河南清洁能源有限责任公司，河南三门峡472000）

文章通过对直驱永磁式风力发电机的讲解,重点阐述了直驱式与双馈异步发电机之间的区别。不仅从绪论基础上进行简单的总体介绍，涵盖直驱永磁风力发电机的结构及工作原理以及直驱永磁风力发电机的特点。

直驱永磁式风力发电机；发电机特点；故障维修；双馈异步发电机

直驱式（无齿轮）风力发电机的发展开始于20世纪末期，受限于电气技术和成本等原因，发展速率比较平缓。但随着科学技术的变革，应用领域不断得到拓展，其优势才得到逐渐发挥。目前直驱式（无齿轮）风力发电机技术领域内，德国、美国、丹麦的技术持续走在前沿位置。

风机市场的主要从20世纪末发生变革，具有无齿轮特性、还可以实现变速变桨距等优点的风力发电机应势而生，高产能、运行维护成本低的先进机型有E-48、E-70、E-112等型号，单机容量从330kW瓦至2MW，生产于德国的ENERCON GmbH公司。此公司被誉为风能产业研究和发展的推动基础，作为全球研制兆瓦级风力发电机的领先企业，1993年开始大规模制造直驱式（无齿轮）风力发电机。

1 概述

与原始的发电机相比，直驱永磁风力发电机改变了沉重的增速齿轮箱模式，将发电机轴直接连接到叶轮轴上，使转子随风速的大小发生改变，进而实现交流电频率的变化。在经过置于地面的大功率电力电子变换器后，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。

国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机，多是采取低速多极永磁发电机，并使用一台全功率变频器将频率变化的风电送入电网。齿轮箱是发电机组成系统中最易损坏的部件，出现受载多大和损坏率高的状态，频率比较高且不宜进行保养和维护。因此，无齿轮箱类型的直驱风力发电机兼具在低风速状态下，始终保持超高的发电效率、低噪声、高寿命以及低廉的运行维护成本等诸多优点。

2 结构及工作原理

（1）结构特点。直驱驱动式永磁发电机主要通过增加磁极对数从而使电机的额定转速下降，减少了增速齿轮箱部件，其性能可靠性远远高于双馈。而风力发电系统结构如图1所示，风轮直接驱动永磁风力发电机，发电机输出由可控硅整流后，再经过逆变器将能量发送给电网或蓄电池。

图1 直驱驱动式永磁风力发电系统

直驱系统包含风力机（这里概括为：叶片、轮毂、导航罩）、变桨机构、机舱、塔筒、偏航机构、永磁同步发电机、风速仪、风向标、变流器、风机总控系统等部件。从部件放置的位置来说，交流器和风机总控系统位于塔筒的底部，剩下的设备器件全部设置在塔顶。发电系统的能量传递和转换路径是通过利用风力机将获取的流动空气的动能转换成机械能，然后经过直驱系统中的永磁同步发电机时，再将风力机传递的机械能转换为频率和电压随风速变化而变化的不控电能，变流器把不控的电能转换为频率和电压与电网同步的可控电能并馈入电网，从而最终实现直驱系统的发电并网控制。

（2）工作原理。直驱永磁风力发电机的基本工作原理，就是利用多极发电机与风轮连接进行驱动的方式，风力带动风力机叶片旋转，拖动直驱永磁发电机的转子旋转，实现发电。直驱永磁风力发电系统和笼型变速恒频风力发电系统类似，唯一的差别在于所采用的发电机为永磁式发电机，转子本身就是永磁式结构，不需另外设置励磁电源，减少了功率损耗。而变频恒速控制可以依据定子回路来进行控制，将直驱永磁发电机变频的交流电经过变频器转化为电网系统频率相同的交流电，完成风力发电的并网功能，需要注意的是变频器的容量与系统的额定容量相同。

3 直驱永磁风力发电机特点

（1）发电效率高。直驱式风力发电机组由于缺少齿轮箱，大大减少发电过程中的传动损耗，从而增加了发电效率，特别是在低风速状态的效果更加明显。

（2）可靠性稳定。齿轮箱作为整个发电系统中故障频率最高的部件，直驱永磁风力发电机直接简化整个系统，由于缺少齿轮箱及其附件，整个发电机组的可靠性得到改善。发电机组在低转速下状态时，旋转部件较少，可靠性更加趋于稳定。

（3）系统的运行及维护成本低。采用无齿轮直驱技术直接减少了风力发电机组零部件的种类与数量，可以省去齿轮箱油定期更换以及维护的费用，降低了系统的运行及维护成本。

（4）电网接入性能优异。直驱永磁风力发电机组的低电压穿越使电网并网点电压跌落时，风力发电机组能够在一定电压跌落的范围内实现不间断并网的运行，从而维持电网的稳定运行。

4 直驱式与双馈异步发电机的差异性

4.1 部件的差异

（1）发电机类型。双馈机组基本上特指双馈式异步发电机，而直驱机组则多是对低速多极发电机的简称。发电机的励磁方式常常以永磁和电励磁进行区分。励磁发动机的生产企业中在全球活动范围内较为领先的是德国的Enercon公司，其产品份额一直保持在市场占有率百分之十左右。永磁发电机主要由中国的金风和湘电两家企业进行生产。

直驱式发电机具有很多优点，但是受转数低且磁极数高的限制，通常保持磁极数在90极以上，造成体积和重量对比双馈式机组显得大了很多，需要严格把控轴承等转动部件的质量等级。相较于直驱式发电机，永磁材料在震动、冲击、高温情况下易出现失磁的现象；其生产材料中有铁成分出现，处于海上强盐雾的状态下，将无法解决材料的防腐问题；此外，由于永磁材料存在永久的强磁性，操作过程中出现问题时无法给予及时的修复，需要进行返厂处理，由于现场的无法及时的维护，给设备的运行造成极大的隐患。而双馈式异步风电机则具有技术成熟可靠，成本低，重量轻以及易维护等优点，在实际应用中得到广泛的普及，各个整机厂商也均采用双馈式异步风电机。

（2）变频器类型。直驱永磁风力发电机机组一般使用全功率变频器，容量非常大，由于成本较高价格昂贵，且在变频器运行时产生的谐波大。对比情况下，双馈式异步发电机机组充分利用转差功率经过变频器实现双馈发电机以小博大的优点，虽然变频器容量小但价格低，机组产生的谐波小，在实际操作中被广泛应用。

（3）齿轮箱的有无。直驱机组得驱动原理为风轮直接带动发电机转子旋转，不需要齿轮箱作为中转，直接减少了齿轮箱的机械故障，但风轮与发电机直接衔接会增加叶片的冲击载荷，并且将其直接传递到发电机上，加大了发电机发生故障的概率。双馈机组采用齿轮箱将风轮转速进行提升，增加了发电机的使用效率，加上齿轮箱技术已经趋于成熟，不易出现设备故障。

（4）发电机的接入性能。直驱永磁式风力发电机在遇到机组突发性低压时，整个网点的电压处于低落状态，可以进行稳定的不间断的并网工作，有着较高的接入稳定性。

4.2 运维情况与故障维修

（1）运维情况。从低风速下的运行情况看，直驱式风机不受运行转速下限的限制，而双馈式风机存在着运行转速的下限，所以从原理上来讲直驱式风机的切入风速可以更低。但是，直驱式风机所使用的全功率变频器的损耗功率会出现过高的现象，一般情况下，全功率变频器的容量大概是双馈风机中变频器的三倍，所以变频器的功率器件和冷却等设备所消耗功率也要大很多。同时，风电机组可以吸收的风能与风速的三次方成正比，在低的切入风速的状态下无法充分利用风能发电的原理。由此进行综合比较，在低风速状态下，双馈式风机和直驱式风机的实际发电功率没有较大的差异性。

（2）故障维护。直驱式风机与双馈式风机在故障维修方面的差异性表现在故障率的概率问题。直驱技术由于没有齿轮箱会减少相对应的故障率，直驱电机和电力电子装置成本高；直驱电机技术不成熟；为了让风速很低时直驱电机能够发电，导致电机的级对数极多，一般都超过100对，使发电机的体积很大，容易出现磨损，加上永磁场的存在，无法在机组现场进行维护，一旦发生故障就要将整个机舱进行返厂，拆卸和安装成本太高。而双馈机型可以单独对齿轮箱、发电机等部件单独维修，其维护的成本与难度要低于直驱机型。

5 结语

直驱永磁式风力发电机为采用永磁发电机且风轮与电机直接耦合的风力发电机，改变了传统模式下沉重的增速齿轮箱。永磁直驱发电机这个名词代表着在传动链中不含有增速齿轮箱，铸造铝镍钴是将融化的金属合金浇筑到模具里，然后通过热处理加工。由此铸造出来的磁铁呈现为暗灰色外观和粗糙表面。经过磨加工的铝镍钴产品表面具有类似钢铁般光亮的外观。铝镍钴磁铁可以在高温下工作。Alnico5在工业上运用最为广泛，可用于机械、电机、仪表、传感器设备、吸力件等等。Alnico8和Alnico9具有更高的矫顽力，形状以圆柱和扇形为主，通常用于高科技领域，比如说石油勘探，航空航天等。众所周知，为了实现发电机的并网必须满足相位、幅频、周期同步，鉴于我国的电网频率为50Hz，这就充分说明发电机需要发出50Hz的交流电。根据转速、磁极对数与频率的关系式n=60f/p，可以得出：当极对数恒定时，发电机的转速是一定的。所以，一般双馈风机的发电机额定转速为1800r/min，电机通过增加磁极对数来实现降低电机的额定转速，不需要增速齿轮箱进行驱动，故名直驱。齿轮箱作为风力发电机组最容易出故障的部件，因缺少了这部分构件，永磁直驱的运行可靠性要高于双馈。

殷月月（1992-），女，吉林通化人，大学本科，主要研究方向：风力发电。