1500风机双馈与直驱.doc

1、双馈与直驱风力发电机组是将风能转化为电能的机械。从能量转换的角度来看，风力发电机组包括风力机和发电机两大部分。其中风力机是将风能转换为机械能，发电机则是将机械能转换为电能。风力发电机组有多种分类方法，从转速的角度分为高速机、中速机和低速机；从桨叶和速度控制方式上分有定浆、变浆、定速、变速四种组合；从控制方式上可分为失速控制、主动失速和变桨距控制。从发电机励磁方式可分为永磁式、电励磁、复合励磁式；从电机的结构和机电能量转换关系上又可分为：同步电机、异步电机、感应电机；从发电机输出电压的角度分为高压电机、低压电机、超高压电机。从发电机组的输出电功率可分为小型、中型、大型、特大型系列，其中小型风力发

2、电机容量为 11kW，中型风力发电机为1001000kW，大型风力发电机为 1000kW 以上的机型。风力发电机组还有水平轴机型与垂直轴机型之分，水平轴风力机的叶片是安装在水平轴上，叶片接受风能转动去驱动所要驱动的机械。水平轴风力机分多叶片低速风力机和 13 个叶片的高速风力机。水平轴风力发电机是目前世界各国风力发电机最为成功的一种形式，而生产垂直轴风力发电机的国家很少，主要原因是垂直轴风力发电机效率低、需启动设备，同时还有些技术问题尚待解决。此外，根据使用的场合大型和特大型风力发电机又分为陆地型和海上型，目前，陆地型的主流机组发电功率为 600kW2500kW，而海上型的主流机组应在 150

3、0kW 以上。迄今为止世界各国并网的绝大多数的风力发电机组都是陆上水平轴的机组。1、风力机兆瓦级水平轴风力机由叶片、轮毂、转桨距装置、风罩等构成。其中叶片又是风力机的关键部件，叶片不仅决定了风力机组的切入风速、切出风速、额定风速、额定功率等重要参数，其造价也达到了风力发电机组总造价的 18%以上，为风力发电机组所有部件之最。叶片的翼型就是翼剖面，它是指用垂直于叶片长度方向的平面去截叶片而得到的截面形状，翼型的曲线形状非常复杂，是一种难以用函数方程表达的曲线，美国国家航空咨询委员会（NASA 的前身）和前苏联的中央气体流体动力研究院都通过实验确定出了适合各种不同用途的翼型，分别给予编号，供日后设

4、计者使用。为了充分利用风能，通常都是叶片翼型都是扭曲型，叶片翼型是沿叶片长度而扭转一定角度，使得叶片翼型各处的安装角不一致，其角度由叶根至叶尖逐渐减小，使各处都处在最佳迎角状态。此外，一种叶片在其不同的位置其翼型也是不一致的，随桨叶的长度不同叶片的实度等参数一直在发生变化，因此，叶片的翼型是由一个族的曲线形状构成的。目前，叶片翼型最常用的是 Naca 族，这些翼型有四位数翼型和五位数翼型两种编号，其中四位数翼型，第一位代表用弦长百分数表示的弯度；第二位代表最大弯度所在的弦向位置(用 10%弦来计量)；后两位为最大厚度和弦长之比(用弦长的百分数表示)，在此族中这一最大厚度在弦长 30%处。这一弯

5、曲的弦线被称为弯度线，由两段抛物线弧段在最大弯曲点处光滑过渡连接组成。如 NACA 2412，其含义第一位数值 2 表示最大相对弯度为 2%；第二位数 4 表示最大弯度位于翼弦前缘的 40%处；末两位数 12 表示相对厚度为 12%。四为数翼型最大厚度一般在离前缘的 30%弦长处，已取得实验数据的有相对厚度为 6%、8%、9%、10%、12%、15%、18%、21%、24%，相对弯度为 0%、1%、2%三种，中弧线最高点位置均在 4%弦长处。四位数对称翼型通常用在尾翼上。而五位数翼型如 NACA 23012，表示意义第一位数是机翼的升力系数 23/20=0.3；30 表示最大弯度相对位置的百分

6、数 2 倍，即最大弯度相对位置在 15%弦长处；最后两位数 12表示最大相对厚度为 12%。设计出的每一种翼型都有自己的尺寸坐标和气动特性图，风吹在翼型上时会使翼产生升力和阻力，翼型的空气动力学特性的好坏直接影响风力发电机组的性能，这就要求翼型有一个合适的升阻比，兆瓦级水平轴风力机翼型的升阻比在 50100 之间。对于每一个翼型来说，升力系数和阻力系数取决于雷诺数和迎角的大小，升力是随迎角的增加而增加，而阻力则是随迎角的增加而减小。当迎角增加到某一个临界值时，升力突然减小而阻力急剧增加，此时风轮叶片突然丧失支承力，这种现象称为失速。利用失速原理开发出的失速型翼型，可以使风力机功率保持在额定值附

7、近，以确保发电机不会随着风速的增大而产生过载。在理想情况下，功率应该随着风速增加到最大值，然后无论风速怎么增加都保持恒定，但实际上这是无法达到的目标。失速控制最大的优点是简单，但缺点也是明显的，叶片进入失速后，风力机的功率输出非常不稳定，会导致功率损耗；同时叶片还具有低振动阻尼，低阻尼可引起较大的位移振幅，产生较大的弯矩和应力，引起叶片疲劳损坏。叶片的桨距角对于功率输出的影响非常大，并且反应灵敏。在一定的风况条件下，通过对叶片桨距角的调节，使设计的风轮运行在最佳风能捕获状态。通常叶片总是设计成扭转形的，在叶片的不同位置其桨距角并不是恒定不变的，当风轮开始旋转时，通过转桨距装置变桨，采用较大的正

8、桨距角可以产生一个大的启动力矩。在风轮转动的过程中，为了获得最大的效率，需要主动进行桨距角控制以保持叶尖速比恒定，在额定风速以上运行时，则是通过调节桨距角来影响叶片进入失速状态的程度，通过减少功角来减少叶片上的升力的方法使转速保持恒定。停机时则是使用 90的桨距角，使风轮的空转速度最小。变桨距控制现在是大型风力机主要控制方式，但缺点是可靠性差和成本高。风轮的基本几何尺寸与特性参数主要有：叶片数、风轮直径、叶尖速比等。对于大型水平轴风力机来说叶片数通常都是采用 2 或3 片叶片。叶片数的选择与风轮的实度密切相关，而叶片实度对风力机的功率特性又有极大的影响。通常叶片数越多其风轮的实度也就越大，3

9、叶片可以得到最佳的实度，但是 2 叶片也是另一种可以接受的方案，虽然此时的功率系数 Cp 的最大值稍微低一点，但峰值的展开范围要宽，因而可以捕获到更大的能量输出。但是 2 叶片风轮叶片与轮毂之间的联接要采用摆动结构，也就是俗称的翘板式结构，此时两叶片要安装在摆动铰链上，这是为了防止运行时不同叶片根部的面外弯矩的上升。由于叶片上的气动载荷差异会造成风轮对摆动轴的角加速度，而同时由离心力所产生的恢复力矩可制止大幅度摆动，通过摆动铰链可以使风轮的载荷减少，可以部分消除叶片因受到外部因素引起的平面外弯矩的周期性变化，减少风轮平面外载荷作用于主轴上的等价破坏载荷。对于风轮直径和额定功率最佳关系，主要取决

10、于风力机所在的风场的风况、地理位置、交通条件等。风电场年平均风速与低风轮的直径成反比，如相同额定功率的情况下 IEC类风场比类风场风轮直径要小。叶尖速比与额定转速和风轮直径存在密切的关系，叶尖速比的范围通常选定在 58 之间；由于风力机产生的气动噪声与叶尖速度的 5 次方成正比，因此，限制风力机的额定转速在大多数情况下都是非常必要的，陆上风力发电机组的叶尖速度通常限制在 65m/s 左右。此外，转速的增高会使叶片的重量成比例地增大，并进而增加了叶片的制造成本，因此，必须在叶片与传动链、机舱和塔架的成本之间选择一个折衷的方案。、水平轴风力发电机的叶片设计目前普遍采用的是动量叶素理论，主要的方法有

11、 Glauert 法， Wilson 法等。风轮叶片在半径 r处的一个基本单元称叶素，叶素(BEM)理论是在科学和工业领域最常用的一种数学模型，该理论不仅用于风电机组叶片的设计，也可以对风电机组的表现进行评价（在设计中和设计后）。利用完善的理论模型，可以进行叶片设计，确定风轮的几何参数（风轮直径，气动翼形，弦长，变浆角和扭转角），估算叶片受力，确定风轮主轴的转矩和功率输出；也可以在宽风速范围内对风轮表现进行评价。叶素理论是在 Glauert 推进理论的基础上，进行修正而用于风电领域的。近期 BEM 理论被不断的改进和优化以提供更加精确的结果。目前，风力机叶片的气动设计方法主要依据简化风车模型与

12、叶素、Glauert 旋涡理论，在利用叶素理论时，最困难的步骤是升阻力系数的正确表示。对于一个风轮仿真来说，确定升阻力系数是从风洞试验测量开始的。而在仿真过程中，考虑叶片长度方向的空气流动十分必要的，这种现象在叶型的风洞试验中并不出现。在流体动力学风机设计上，使风能利用系数 Cp 最大化是设计中最基础也是最重要的工作，目的是从风中获得最大的能量。对于风轮直径小于 50 米的风力机，风轮的气动弹性是不成问题的。然而，叶片的摆振在大叶片中已引起过大问题，这种不稳定性的机理现正在研究之中。工程上的处理方法是在叶片中调整阻尼器，阻止不稳定的发生。由于风力机尺寸的不断增大，风力机的气动弹性不稳定性也变得

13、越来越重要。叶片的自然飞舞频率是随尺寸的增加(相应叶片变得较柔性) 而下降。一般情况下，如果这种频率不和其它自然频率或激振频率发生作用，增加柔性可用来降低叶片的内部载荷。风力机所有的激振频率基本上都与风轮的转动角频率 有关。叶片的摆振频率和飞舞频率与风轮转速 和风轮半径 R 的关系。随着风轮半径的增加，无因次摆振频率保持不变， 而无因次飞舞频率增加。叶片的外形设计与制造，最佳桨距技术及独立变浆系统是旋转部分的关键技术。风轮空气动力学现在仍有些问题没有完全搞清楚。特别是叶片的失速和偏航流动，物理模拟不够，解释也多种多样。关于这个问题的研究也取得了一些进展，但有关的试验数据不多。现在利用计算流体动

14、力学(CFD) 解基本 Navier2Stokes 方程的方法正取得一定的进展，但很缓慢。要用 CFD 来设计风轮，估计还得几年的时间。在这方面， CFD 软件 Fluent 也许能发挥一定的作用。现在还没有一个风轮设计工程师可以保证他所设计的风轮特性和他计算的完全一样。在水平轴风力发电机的结构中，叶片材料，现在通常采用高强度低密度的复合材料，通常都是使用玻璃钢复合材料制成的，虽然碳纤维更适合用来制作叶片，但由于将大大增加制造成本，只有在特殊的情况下得到运用。叶片制造过程中大量使用了增强材料，包括单向玻璃纤维织物、双轴向玻璃纤维织物、三轴向玻璃纤维织物等，与之配套的工艺方法，使叶片的机械强度和

15、抗疲劳能力得到显著的提高。2、风力发电机兆瓦级的风力发电机属于特大型风力发电机，对于这种风力发电机常将其分成以下三类：双馈式、直驱式和混合式，其中双馈式风力发电机组的特点是采用了多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电机，1/3 功率变频上网，转速高，转矩小，重量轻，体积小；直驱式风力发电机组则取消了增速齿轮箱，采用低速同步发电机，全变流上网。混合式是在单级增速装置的基础上加多级同步发电机技术，这种设计融合了双馈式和直驱式机组的优点，在转速和转矩之间找到了一个平衡点。混合式风力发电机也要求全功率逆变器，现多采用一级增速加双馈异步发电机或永磁同步发电机，一般均为中速机。目前先进的风力发电机产品中的典型技

16、术方案，不外乎双馈异步风力发电机和无齿轮箱变速永磁同步风力发电机二种，二者各有优劣。此外，无刷双馈式异步发电机也是一种非常值得关注的机型。1、双馈式异步发电机双馈式异步发电机实际是异步感应电机的一种变异，这种发电机始于上世纪 80 年代，日本日立公司、东芝公司和前苏联在这种发电机的研制和开发中都作出了显著的贡献。目前美国 GE 能源、EMD；德国 VEM Sachsenwerk GmbH，LDW；瑞士 ABB 等公司的很多风力发电机产品，采用变速双馈风力发电的技术方案。我国北车集团永济电机厂、甘肃兰州电机有限责任公司、四川东风电机厂有限公司、淄博牵引电机集团股份有限公司、山西汾西重工有限责任公

17、司、大连天元电机有限公司等企业也都先后研制成功了兆瓦级双馈式异步发电机。目前，市场占有率最高的双馈变速恒频风力发电机组，其风轮桨距角可以调节，同时发电机可以变速，并输出恒频恒压电能，效率较高。在低于额定风速时，它通过改变转速和桨距角使机组在最佳尖速比下运行，输出最大的功率，而在高风速时通过改变桨距角使机组功率输出稳定在额定功率。这种形式的性价比和效率均较高，逆变器功率较小。调速范围达到 30%额定转速，变流的容量只有系统容量的 30%左右，变速恒频驱动和 MPPT 控制，有功、无功功率可独立进行控制。双馈异步发电机在结构上与绕线式异步电机相似，定子、转子均为三相对称绕组，转子绕组电流由滑环导入

18、，定子接入电网，电网通过四象限 AC-DC-AC 变频器向发电机的转子供电，提供交流励磁。但存在滑环和变速箱的问题，对电网的冲击较大。双馈式异步发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和通过双向励磁变频器从转子输出的功率。正因为其定子和转子两侧都有能量的馈送，所以称其为双馈式发电机，其中带滑环的双馈式电机被称之为有刷双馈发电机。交流励磁有刷双馈异步发电机原理图如图 2 所示。双馈异步发电机通常为 4 极或 6 极，转速为1500r/min、1000r/min，如此高的转速是通过多级增速齿轮箱来实现的。双馈式电机分笼式和绕线式两种。但是，由于笼式感应发电机的调速性能较差，其调速

19、范围很窄，一般均在5%以内，无法最大限度地利用风能，且要吸收电网无功功率，只在一些小功率的机组上得到应用。在兆瓦级风力发电机组中多选用绕线转子感应异步发电机，这种发电机在结构上与绕线式异步电机相似，由绕线转子异步发电机和在转子电路上带交流励磁器组成，定子、转子均为三相对称绕组，双馈式电机的转子多采用波绕组短距线圈，这样有利于节约连接线用铜，并能有利于削弱输出电能中的谐波分量。在结构上，由于风力发电机对外壳防护等级要求为 IP54(全封闭)，而其工作环境相对较为恶劣，因此，电机的散热是非常重要的，现主要采用两种方式，一种是风冷却，另一种是强制水冷却。在风冷却中又分为空冷和空-空冷却，前者是在电机

20、的外壳表面带散热筋加外风扇；而空-空冷却器主要由进气箱、循环风机、冷却风机和冷却器组成。采用高性能螺旋槽管，换热管布置采用多 M 型和整流、导流结构，使冷却器迎风面流速均匀，采用内外双层壳体，钢制或铝制无缝钢管。双馈式异步发电机的变速运行是建立在感应电机基础上的，感应电机一般都用作电动机，只是在特殊的情况下才用作发电机。感应电机是利用电磁感应原理，通过定子的三相电流产生旋转磁场，并与转子绕组中感应电流相互作用产生电磁转矩，以进行能量转换。正常情况下感应电机的转子转速总是略低或略高于旋转磁场的转速(同步转速)，我们将转子转速 n 与同步转速 ns 的差值定义为转差，转差与同步转速之比的百分值定义

21、为转差率。感应电机有电动机、发电机和电磁制动三种运行状态，在作电动机运行时，异步电动机转子的转速只能是略低于同步转速，此时产生的电磁转矩与转向相同，转差率0。而作发电机运行时，转速总是略高于同步转速，其电磁转矩的方向与旋转方向相反，转差率0，发电机的功率随该负转差率绝对值的增大而提高。由于风能的不稳定性和捕获最大风能的要求，发电机转速是在不断的变化，而且经常在同步转速上、下波动，为了实现风力机组的最大能量的追踪和捕获，满足电网对输入电力的要求，风力发电机必须变速恒频运行。在变速恒频风力发电机中，跨越同步速是变速恒频双馈风力发电机励磁控制关键技术之一。这要求转子交流励磁电源不仅要有良好的变频输入

22、、输出特性，而且要有能量双向流动的能力。现有的技术是采用 IGBT 器件(绝缘栅双极晶体管)构成的PWM(脉宽调制)整流PWM 逆变型式的 AC-DC-AC 变频器作为其励磁电源，向发电机的转子绕组提供励磁电流，对定子实现定向矢量控制。控制电流由滑环导入，实现亚同步、同步和超同步运行方式之间的转换，采用这种技术的双馈式异步发电机其转速控制范围可达到同步转速的 60%。为了获得较好的输出电压电流波形，输出频率一般不超过输入频率的 1/3。其容量一般不超过发电机额定功率的30%，通常只需配置一台 1/4 功率的变频器。根据双馈式异步发电机数学模型和交流电机矢量变换控制原理，可设计出交流励磁变速恒频

23、发电机定子磁链定向的矢量变换抑制系统，系统采用双闭环结构，外环为功率控制环，内环为电流控制环。整个控制系统可分为三个单元，它们分别接受风速和转速信号，有功功率指令和无功功率指令，并产生一个综合信号送至励磁控制装置，改变励磁电流的大小，频率和相位满足系统控制的需要。根据双馈式异步发电机数学模型和发电机的功率方程可知：有功功率、无功功率分别与定子电流在 m、t 轴上的分量成正比，调节转矩电流分量和励磁电流分量可分别独立调节有功功率和无功功率。调节有功功率可调节风力机转速，进而实现最大风能捕获追踪控制。当双馈发电机的转子绕组通过三相低频电流时，在转子中会形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度与转子

24、的机械转速相叠加，使其等于定子的同步转速，从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。当风速变化时，转速随之而变化，相应地改变转子电流的频率和旋转磁场的速度，就会使定子输出频率保持恒定。当发电机的转速低于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于亚同步速运行，为了保证发电机发出的频率与电网频率一致，需要变频器向发电机转子提供正相序励磁，给转子绕组输入一个其旋转磁场方向与转子机械方向相同的励磁电流，此时，转子的制动转矩与转子的机械转向相反，转子的电流必须与转子的感应反电动势反方向，转差率减小，定子向电网馈送电功率，而变频器向转子绕组输入功率；当发电机的转速高于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于超同

25、步速运行，为了保证发电机发出的频率与电网频率一致，需要给转子绕组输入一个其旋转磁场方向与转子机械方向相反的励磁电流，此时变频器向发电机转子提供负相序励磁，以加大转差率，变频器从转子绕组吸收功率；当发电机的转速等于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于同步速运行，变频器应向转子提供直流励磁，此时，转子的制动转矩与转子的机械转向相反，与转子感生电流产生的转矩同方向，定子和转子都向电网馈送电功率。其中有功功率指令和无功功率指令的产生步骤是：分别设定有功功率和无功功率的参考值，并与转子电流反馈量比较或获得转子电压指令，经旋转变换就得到发电机转子三相电压控制量。并网操作是变速恒频双馈风力发电机励磁控制需要解决

26、的另一关键技术。当风力发生变化发电机组突然切出时会对电网的冲击较大，一般规定发电机与电网的电压差不超过 5%10%，频率差不超过0.10.5%，冲击电流控制在额定电流的 1.252 倍以内。直接并网和降压并网的方式都存在不足之处，采用电力电子器件的软并网是目前大型异步风力发电机组并网的优选方式，可解决并网过程中的电流冲击和电压波动问题。现有的双馈式异步发电机发出的电能都是经变压器升压后直接与电网并联，加之在转速控制系统中采用了电力电子装置，会产生电力谐波。同时发电机在向电网输出有功功率的同时，还必须从电网吸收滞后的无功功率，使功率因数恶化，加重了电网的负担。因此必须进行无功补偿，提高功率因数，

27、通常都是在风电场母线集中处安装电容器组，但这种补偿方式受电容器的级数和容量等的制约，无法实现最佳补偿状态。目前，一种基于电力电子逆变技术的无功补偿装置静止同步补偿器很有可能将取代传统的电容器补偿方式。拥有电力电子变换器的系统能够提供充足的无功控制，充分满足发电机的无功需求，即在任何负荷情况下维持发电机输出的功率因数不变，类似于静态无功补偿使电网的电压稳定。值得指出的是，通过适当的无功控制，由无功不平衡而引起的电压波动能够被消除，从而能够降低其对电网的影响。矩阵变换器是种交交直接变频器，由 9 个开关组成，矩阵式变换器没有中间直流环节，功率电路简单、紧凑，可输出幅值、频率、相位和相序均可控的电压

28、，谐波含量较小。变换器的输入功率因数可控，可四象限运行，适合变速恒频双馈风力发电系统。矩阵变换器具有上述优点，但其换流过程不允许两个开关同时导通或同时关断，实现比较困难，故其在变速恒频双馈风力发电系统中的应用还处于研发阶段。有刷双馈发电机存在滑环和变速箱的问题，运行可靠性差，需要经常维护，其维护保养费用远高于无齿轮箱变速永磁同步风力发电机，并且这种结构不适合运行在环境比较恶劣的风力发电系统中。近年来国内外风力发电机组故障率最高的部件当数齿轮箱，而齿轮箱的故障绝大多数是由于轴承的故障造成。齿轮箱的效率可通过功率损失计算或在试验中实测得到。功率损失主要包括齿轮啮合、轴承摩擦、润滑油飞溅和搅拌损失、

29、风阻损失、其它机件阻尼等。齿轮的效率在不同工况下是不一致的。风力发电齿轮箱的专业标准要求齿轮箱的机械效率应大于 97%，是指在标准条件下应达到的指标。2、直驱式永磁同步发电机所谓“同步”发电机，就是指发电机转子磁场的转速(原动机产生)与定子磁场的转速(电力系统频率决定)相等。这种无齿轮箱变浆距变速的风力发电机组，其风轮轴直接与发电机联接。根据励磁方式的不同，这种低速同步发电机可分为永磁式、电励磁和混合励磁式三类，永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，取消了容易出故障的转子上的集电环和电刷装置，成为无刷电机，不存在励磁绕组的铜损耗，比同容量的电励磁式的发电机效率高，结构简单，运行可靠；复合

30、励磁永磁发电机采用稀土永磁和辅助电励磁相结合的复合励磁结构，兼顾了稀土永磁发电机和电励磁发电机的优点，解决了原有稀土永磁发电机的调压难题；而电励磁式的则需要外部提供励磁电能。但是，目前电励磁和混合励磁式方式的同步发电机在风力发电机组的运用范围非常有限。永磁同步发电机从结构上可分外转子和内转子两种，外转子内圆上有高磁能积永磁材料拼贴而成的磁极，同时转子旋转时的离心力，使得磁极的固定更加牢固。由于转子直接暴露在外部，所以散热条件比较好。但相同功率和极数的外转子永磁同步发电机其体积要比内转子的大很多。内转子永磁同步发电机的转子上装有多个永磁磁极、定子上有扇形冲片叠成的定子铁芯及定子线圈。由于转子在发

31、电机的内部，散热条件较差，但相对于外转子发电机其体积要小很多。这种风力发电机要求全功率变流器，在与电网合闸前，为避免电流冲击和转轴受到突然的扭矩，需要满足一定的并联条件，端电压、频率与电网必须相同。要求发电机具有高质量地将风能转化为频率、电压恒定的交流电，高效率地实现机电能量转换。永磁直驱式风力发电机其特点是电机转速低，极数多，结构简单，无变速箱，可靠、长寿命，低噪声，大功率，无滑环，安装和维护费用低。但不足之处是体积大，有失磁之忧，且转子的制造难度比较大。同时这种风力发电机制造成本较高，是双馈变速恒频机的 1.3 倍。德国埃纳康（Enercon GmbH）公司在 1993 年研制成功了直驱式

32、风力发电机，1997 年将产品推向了市场，这些高产能、运行维护成本低的先进机型有 E-33、E-48、E-70 等型号，已开发了容量为330kw、800kw、900kw、2000kw 和 2300kw 的多种机型。2000 年，瑞典 ABB 公司成功研制了 3 兆瓦的巨型可变速风力发电机组，其中包括永磁式转子结构的高压风力发电机 Windformer ，该机高约 70 米、风扇直径约 90 米。2003 年，日本三菱重工完成 MWT-S2000 型风力发电机的研制工作，这种直驱式风力发电机组采用的是永磁同步电机。2004 年德国西门子公司通过收购世界著名的丹麦 Bonus Energy (柏纳

33、斯)公司也开发了直驱式风力发电机。目前，还有荷兰 Windbrokers 公司，荷兰 Emergya Wind Technologies NV(EWT)、德国 Innovative 公司，德国 Vensys 公司、德国 Avavtis 公司、瑞典的 ABB 等公司，韩国 Unison 公司和国内的新疆金风科技股份有限公司、湖南湘电风能有限公司、东风汽轮机厂、上海万德风力发电股份有限公司、广西银河艾万迪斯风力发电有限公司、常州新誉风力发电设备有限公司、哈尔滨电站设备集团公司、中国运载火箭技术研究院、江西麦德风能股份有限公司等都在研制直驱式风力发电机。新疆金凤科技股份公司已在 2006 年与德国

34、Vensys 公司合作研制出 1.5 兆瓦直驱式风力发电机。2007 年湘潭电机集团与日本原弘产株式会社合资组建的湖南湘电风能有限公司，并在 2007 年 11 月成功完成了 2 兆瓦直驱式永磁风力发电整机机组试车；广西银河艾万迪斯风力发电有限公司与德国 AVAVTIS 公司联合研制的 2.5 兆瓦直驱变桨风力发电也将于 2008 年下半年完成样机。永磁电机的性能、设计特点和应用范围都与永磁材料的性能密切相关。因此，永磁材料的选取非常重要，在进行材料的选取时，通常要从以下几个方面进行考虑：为获得足够高的功率密度，永磁材料应具有足够的剩磁密度、磁感应强度、矫顽力及最大磁能积；永磁材料应具有较好的

35、磁性能，包括热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。尤其是直驱式永磁同步发电机的损耗较大，温升较高，因此应选择工作温度点高的永磁材料，使得发电机工作在永磁材料退磁曲线的直线部分；经济性要好，价格便宜。发电机常用的永磁材料有铝镍钴、铁氧体、稀土钴和钕铁硼。铝镍钴永磁材料的显著特点是温度系数小，剩余磁感应强度较高，但是矫顽力很低，退磁曲线呈非线性变化。铁氧体价格低廉，矫顽力大，抗去磁能力强，密度小，退磁曲线接近于直线。缺点是剩磁密度不高，最大磁能积较小，环境温度对磁性能的影响大；稀土钴的特点是剩余磁感应强度、磁感应矫顽力及最大磁能积都很高。退磁曲线基本上是一条直线，抗去磁能力强，缺点是材料硬而

36、脆，抗拉强度和抗弯强度均较低，仅能进行少量的电火花和线切割加工，而且价格较昂贵。钕铁硼是目前磁性能最好的永磁材料，价格也比稀土钴便宜得多。钕铁硼磁性材料牌号有：N30N52；30H50H；30SH50SH；28UH40UH；30EH35EH 等。钕铁硼永磁材料突出优点在于最大磁能积高，而不足之处则是其居里温度较低，一般为 310410。居里点或居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。此外，这种材料的温度系数较高，在高温下使用磁损失较大。因

37、此，钕铁硼永磁材料的最高工作温度较低。一般为 80左右，在经过特殊处理的磁铁，其最高工作温度也只能是 240。 如果永磁同步发电机通风系统出现问题，过高的温度会造成永磁材料磁性能降低，甚至不可逆去磁。除此之外钕铁硼永磁材料的抗氧化和表面处理也是不可忽视的问题，由于这种材料含有大量的铁和钕，非常容易被氧化，目前常用的涂层有环氧树脂喷涂、电泳和电镀等，一般涂层厚度为1040m。不同涂层的抗腐蚀能力不一样，其中环氧树脂涂层抗溶剂、抗冲击抗盐雾腐蚀的能力良好；如果只是采用电镀法是很难保证材料的使用寿命，比如，钕铁硼镀镍，宏观看，表面闪闪发光，但用显微镜观察，却是千疮百孔。因此，水份照样可以渗入内部，使

38、钕铁硼氧化，磁性能下降。因此在定购材料时应要求生产厂家采取各种工艺措施来防止氧化，尽量提高永磁体的密度以减少残留气隙来提高抗腐蚀能力，同时在成品表面采用环氧树脂电泳处理。由于采用了高性能的钕铁硼材料，永磁发电机的结构发生了变化。高性能的电机要求各个对称的磁极磁性能高度一致，然而由于制造工艺和监控手段的限制，产品的一致性是不太容易保证的，在大部分情况下只能通过检测筛选的方法来解决这一问题。因此，在磁性材料的选择，磁化工艺和永磁材料抗去磁，寿命稳定性检测和在运行或失效的情况下如何防止消磁等方面均必须采取有效的措施。由于风力发电机要求满足防尘防水的要求，发电机必须制成全密封型，保证发电机在任何时候，

39、内部都不会进水。这样发电机内部便不能通风，发电机定子的散热就存在一定的困难。在磁路设计时要选择合适的永磁体的工作点，并经过模拟环境带负荷连续运行试验，使发电机冷、热态电压偏差在技术条件规定的范围内。待发电机温度恢复到常温时，测量电压同试验前一致，不出现不可逆的退磁现象。除此之外还要充分考虑到了特殊工况时产生的反向磁场对磁体的退磁作用，设计上通过计算，选取的永磁磁钢各项性能参数，能保证在过载、短路、雷击时永磁体工作点在拐点之上，永磁磁钢不会产生永久退磁现象。通常选用 NNF35SH 永磁材料，这种材料的剩磁 BrT、矫顽力 HcbkA/m、内禀矫顽力 HcikA/m、最大磁能积 BHmaxkj/

40、m3，工作温度 Tw150。尽管永磁电机已经过了几十年的研究，但其设计至今还没有一套系统的公式和经验曲线作为依据。变速恒频风力发电系统中的直驱永磁风力发电机的外形尺寸大、工作转速低，通常是一种扁平状的结构，因此，唯一可借鉴的是与其工况相类似的水轮发电机，水轮发电机的设计和制造技术都是非常成熟的，其不少经验对于直驱永磁风力发电机的设计是非常有益和必须的。根据水轮发电机的设计方法，只要确定了容量、极距和极对数可以计算出电机的主要尺寸如定子铁心内径、铁心长度。不过直驱永磁风力发电机的结构与水轮发电机不尽相同，因此这些尺寸只能作为参考尺寸。永磁磁钢厚度对电机的性能影响是比较大的，主要表现在三个方面，首

41、先磁钢厚度会影响气隙磁密的大小，磁钢较厚，气隙磁密就会加大，功率密度就会加增大；其次会影响到电机抗去磁能力的强弱，磁钢较薄，所能提供的磁动势就会小，当去磁磁势较大时，就有可能造成磁钢的局部不可逆去磁；磁钢厚度还会影响到电机成本，永磁材料的制造工艺复杂，成本较高，过多的采用会增加电机的制造成本。磁钢厚度的确定主要还是依据全电流定律，对一个极的磁路积分，定转子轭磁压降、定子齿部磁压降和气隙磁压降都可以根据相应欲设的相应磁密来确定，而这些磁压降之和就是永磁材料一个极所能提供的磁势，此磁势与磁钢厚度和永磁材料的矫顽力有关，永磁材料的矫顽力是由材料特性决定，并最终决定了磁钢的厚度，在使用高性能钕铁硼的兆

42、瓦级直驱永磁风力发电机通常选择在 1826mm。与宽度的比值通常为 0.37。极弧系数是指一个极距下永磁磁极所占有的宽度。极弧系数的大小对电机的电压波形、转矩纹波和漏磁系数影响很大，对于面装工的转子磁极，极弧系数过大，会造成感应电势三次谐波分量的增加，从而引起转矩波动的损耗的增加，同时极间漏磁也会上升。对于取什么样的极弧系数才能提供适当的电压波形和降低转矩纹波，这要根据电机的其它参数来综合考虑。总的来说，永磁同步电机的极弧系数要比电励磁的凸极电机稍高，一般在 0.650.8 之间。面装式永磁同步电机的气隙密要比普通同步电机的气隙磁密大，通常达到 0.8T 以上，这也体现了永磁电机高功率密度的特

43、点。每极每相槽数对电机性能影响很大。选择分数槽绕组能够显著的改善电动势波形，降低谐波的含量，但是由于分数 绕组磁势中含有分数次谐波，容易和主极磁场作产生干扰力，甚至引起定子铁心的共振，所以有时侯也选用整数槽绕组。多极低速的永磁风力发电机，其定子内径不可能非常大，而槽宽有限，这就使得永磁电机的槽数不可能太多，从而也限制了每相槽数不会太多。但是如果每极每相槽数取值接近于 1 时，则电压谐波和齿槽定位转矩会较大，因此，兆瓦级直驱永磁风力发电机的每极每相槽都要大于 1，一般选为 1.25，这样能很好的利用分数槽限制电势谐波的作用，使谐波含量很小，而齿槽定位转矩也不是很大。在一般情况下，同步发电机的极限

44、电磁功率主要由永磁材料的磁性能决定，也与电机体积、极对数、电流频率以及负载功率因数有关，还受转子结构及加工工艺的影响。3、无刷双馈电机无刷双馈异步电机是在级联式（cascade）双馈拖动系统的基础上发展而来的，由英国学者 Hunt L.J 和 Broadway A.R 在 1997 年提出的。从结构上这种电机可认为是由两台绕线式三相异步电机组成，一台作为发电机，其定子绕组与电网连接，另一台作为励磁电机其定子绕组通过变频器与电网连接。两台电机的转子为同轴连接，转子绕组在电路上相互连接，因而在转子转轴上没有滑环。实际上的无刷双馈异步电机其定子上有两套极数不同的绕组控制绕组和功率绕组，变频器的直流侧

45、与控制绕组相连，交流侧与功率绕组相连，通过特殊的控制方式，该电机可实现发电机有功功率和无功功率的独立控制，这种异步电机弥补了有刷双馈电机的部分不足。功率绕组和控制绕组有单绕组和双绕组两种形式，其优缺点分别为：(1)双绕组方案 当定子功率绕组和控制绕组为两套独立的绕组时，采用各自的分布和短距绕组，可以使两套绕组均具有较高的绕组系数，可以有目的地消除某些谐波的影响，使绕组设计具有较大的选择余地。因此，绕组的设计具有很大的灵活性，这是无刷双馈电机在定子绕组设计中最为简单的一种方法。但是，采用该类绕组方案时，每槽中往往采用四层绕组，槽的利用率低，从而导致电机材料的有效利用率降低。(2)单绕组方案 当定

46、子功率绕组和控制绕组为一套绕组时，可以大大提高电机槽的利用率，从而大大提高了电机材料的有效利用率。但是，单套绕组方案由于兼顾功率绕组和控制二者的性能，特别是要求该套绕组在连接成功率绕组和连接成控制绕组时要保持各并联支路均具有相同的电动势，从而限制了绕组设计的灵活性，另外，绕组节距的选取也要受到限制。无刷双馈电机的转子是一种特殊的笼型结构，也可以是磁阻式结构，或者是集笼型和磁阻式优点为一身的混合式结构。但无论哪种结构，其作用都是通过限定磁通路径，以产生交直轴方向的磁阻差别，从而使功率绕组和控制绕组产生的不同极数的气隙磁场得以调制。两定子绕组就是以转子为中介相互作用着，同时耦合着具有不同极数的两套

47、定子绕组，在电机中起着“极数转换器”的作用，这相当于在同一转子上分别感应不同对极的频率。因此，无刷双馈电机的转子直径比较大，要满足风力发电机对于恒频恒速的要求，尚有一定的困难。图 5 示出一种无刷双馈电机的转子结构示意图。无刷双馈电机的尺寸计算、电磁负荷计算、槽型的设计和配合等部分，与普通异步电机的电磁设计相似。由于无刷双馈电机电磁关系的特殊要求，定子绕组、转子绕组以及极对数等必须进行特殊设计。功率绕组和控制绕组极对数（pp+pc）的大小决定了电机的速度范围，当（pp+pc）确定后，在具体设计功率绕组和控制绕组极对数 pp 和pc 时，还应充分注意以下几方面：（1）为了消除两个定子绕组间的电磁

48、作用，极对数应满足不等的条件；（2）由不同极数的定、转子磁场相互作用会产生径向拉力和脉动电磁转矩，电机的振动与噪声较大。当极对数 pp 和 pc 相差越大时，越能降低振动与噪声。（3）转子电流产生的磁场需要转换成不同极对数（pp 和 pc）磁场。它们是依靠产生谐波磁场来实现的，为了产生较强的对应谐波磁场，极对数 pp 和 pc 最好满足 3 倍关系，定子绕组设计的关键是合理选择绕组节矩和绕组形式。在无刷双馈电机中，定子绕组会感应基波电势和高次谐波电势；另外，功率绕组和控制绕组的基波磁场会在对方绕组中感应互感电势。这些高次谐波电势和互感电势会增加电机的电磁损耗，不利于电机正常运行。为了减小高次谐

49、波和互感电势，定子绕组可以采用双层短距分布的绕组形式。由于三相绕组采用“Y”接可以消除三次及其倍数的谐波。同时，控制绕组在功率绕组的互感，也相当于三次谐波，利用绕组“Y”方式也可以消除。设计绕组节距主要考虑削弱 5、7 次谐波。功率绕组和控制绕组在定子槽中的分布应利用 60相带划分功率绕组和控制绕组各相在定子槽中的位置。定子的功率绕组和控制绕组共嵌于同一定子铁心中，它们所形成的磁场共用同一磁路，电机的输出电磁功率也由两个绕组共同承担。因此，合理地设计两个绕组的容量，是决定电机性能指标的重要因素。当电机在双馈运行方式下，系统需要进行调速控制时，需要调节控制频率，同时控制绕组产生的电磁功率将会变化。因此，控制绕组容量应该与所需要的最大电磁容量相等，根据调速范围计算。当电机变频电源发生故障时，电机应该可以断开控制绕组电源，由功率绕组单独异步运行。因此，功率绕组额定容量应该等于额定输出容量。由无刷双馈电机的工作原理可知，定子极数不同的空间磁场是通过转子耦合，与转子电流的磁场相互作用产生电磁转矩。转子磁场需要进行极数转换才能与定子磁场匹配。因此，转子结构应该具备“极数转换器”的功能，其转换作用的强弱直接影响着电机的性能。普通笼型转子的转换作用很差，不利于电机运行。而闭环结构笼型转子其极数转换作用很强，是