國內(nèi)外大型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用.docx

1、1、國內(nèi)外大型永磁發(fā)電機(jī)的應(yīng)用永磁同步發(fā)電機(jī)是用永磁體來代替普通同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)，為發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁的一種發(fā)電機(jī)。由于永磁發(fā)電機(jī)字很無法調(diào)節(jié)勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)端口電壓將隨著轉(zhuǎn)速而變化，因而早期永磁發(fā)電機(jī)往往與小功率的變流裝置配套應(yīng)用于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，但隨著永磁技術(shù)與大功率變流技術(shù)的提高， 風(fēng)電新技術(shù)方案的出現(xiàn)， 永磁發(fā)電機(jī)逐漸在大型風(fēng)力發(fā)電上的到了廣泛的應(yīng)用，并將成為未來風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一種趨勢(shì)。2000 年瑞典 ABB公司研制成功了3MW-5MW的巨型可變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其中發(fā)電機(jī)采用了低速多極的永磁式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的高壓風(fēng)力發(fā)電機(jī) Windformer ，由于 Windformer 為風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)永磁

2、轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)簡單，可直接并網(wǎng)使用，具有容量大，效率高，運(yùn)行可靠及環(huán)保效果好等特點(diǎn)。2005 年德國 Multibrid安裝了第一臺(tái) 5MW風(fēng)機(jī)，M5000風(fēng)機(jī)由德國工程咨詢公司aerodyn 設(shè)計(jì)，采用了單級(jí)齒輪箱和水冷式中速永磁同步發(fā)電機(jī)相結(jié)合的混合傳動(dòng)技術(shù)，相比傳統(tǒng)三級(jí)齒輪箱的雙饋技術(shù)方案，大大簡化了傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了電能品質(zhì)，而相比直驅(qū)技術(shù)中采用的低速電機(jī)，中速電機(jī)的尺寸和重量大為減少，從而為生產(chǎn)、運(yùn)輸和吊裝帶來了一系列的優(yōu)勢(shì)。國內(nèi)目前能夠批量化生產(chǎn)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)僅有金風(fēng)科技和湘電風(fēng)能公司兩家風(fēng)電整機(jī)廠商。2、不同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)對(duì)比目前風(fēng)電市場(chǎng)中，以三級(jí)齒輪箱加雙饋異步發(fā)電機(jī)為技術(shù)

3、發(fā)難的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用最為廣泛。但隨著大功率器件的發(fā)展，大功率變流器的成本及技術(shù)瓶頸已逐漸打破，低速同步發(fā)電機(jī)配全功率整流器的直驅(qū)式結(jié)構(gòu)成為了風(fēng)力發(fā)電的另一個(gè)重要發(fā)展方向。永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，尤其是船舶、風(fēng)機(jī)等這種對(duì)電機(jī)穩(wěn)定性要求高且維修不易的環(huán)境中具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，因而低速永磁電機(jī)往往是直驅(qū)式結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)用發(fā)電機(jī)的首選方案。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)不斷大功率化， 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組除論像的機(jī)械故障率較高， 穩(wěn)定性及電能品質(zhì)較差， 同時(shí)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的低速同步發(fā)電機(jī)尺寸偏大也增加了設(shè)計(jì)及運(yùn)輸難度， 因而將上述兩種方案相結(jié)合的第三種技術(shù)路線即齒輪箱加中高速同步發(fā)電機(jī)的混合傳動(dòng)結(jié)

4、構(gòu)風(fēng)機(jī)異軍突起， 而采用永磁同步發(fā)電機(jī)作為中高速等級(jí)的同步電機(jī)也是最優(yōu)的選擇。下面僅對(duì)風(fēng)力發(fā)電上最多采用這三種方式進(jìn)行分析：（ 1）變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)如圖 4（a）所示，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)機(jī)葉輪、三級(jí)齒輪箱、雙饋異步發(fā)電機(jī)、雙向PWM變流器等部件組成，雙饋機(jī)的定子與電網(wǎng)直接相連， 而轉(zhuǎn)子通過滑環(huán)與變頻器連接到電網(wǎng)中，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)無功功率和有功功率的調(diào)節(jié)。由于該發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子都有外接電源并與之實(shí)現(xiàn)能量交換，因而成為雙饋發(fā)電機(jī)。雙饋異步發(fā)電機(jī)具有技術(shù)成熟、風(fēng)機(jī)廠商進(jìn)入的門檻低、制造成本低、非全功率變流器容量小等優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)也具有運(yùn)行范圍較窄、轉(zhuǎn)子花環(huán)部分容易磨損

5、、齒輪箱機(jī)械部件故障率高維護(hù)量大、對(duì)電力品質(zhì)相對(duì)較差等不足，這種齒輪箱加常規(guī)電機(jī)的傳統(tǒng)技術(shù)路線，將有可能在即將到來的新一輪風(fēng)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)革新中被新的技術(shù)方案所取代。（ 2）直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括風(fēng)機(jī)葉輪、 多極低速同步發(fā)電機(jī)、 全功率變流器等。風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)主要靠變流器對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。 由于此類發(fā)電機(jī)組中風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)直接連接，而不使用齒輪箱即“直接驅(qū)動(dòng)”的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，因而被稱為直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。與雙饋式風(fēng)機(jī)不同， 此風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的輸出功率通過全功率變流器輸送到電網(wǎng)中而與電網(wǎng)徹底隔開， 電能品質(zhì)優(yōu)越， 同時(shí)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組省去了故障率高的齒輪箱， 傳動(dòng)

6、系統(tǒng)簡單，可靠性增加，維護(hù)性好，由于低負(fù)荷下能發(fā)出更多的電能，又使其具有較高的效率。（ 3）混合傳動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)混合傳動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括風(fēng)機(jī)葉輪、 齒輪箱、中高速發(fā)電機(jī)及全功率變流裝置。風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速經(jīng)齒輪箱后被升高至 100-2000r/min 的中高速等級(jí)，再與中高速等級(jí)發(fā)電機(jī)相連， 發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率通過全功率變流器后并網(wǎng)運(yùn)行相比三級(jí)齒輪箱的雙饋方案，此種技術(shù)方案可將傳動(dòng)系統(tǒng)簡化，可靠性高，電能品質(zhì)優(yōu)越， 相比帶低速發(fā)電機(jī)的直驅(qū)方案，其發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高，尺寸重量大幅降低， 制造難度降低，運(yùn)行穩(wěn)定性也有所提高。（ 4）對(duì)比關(guān)系根據(jù)上述分析，對(duì)各種性能指標(biāo)進(jìn)行總結(jié)，并列在表1 中?？梢钥闯?，雙饋機(jī)雖然技

7、術(shù)門檻低，價(jià)格便宜，但在電能品質(zhì)、維護(hù)性和穩(wěn)定性都不及其他兩種方案，制約直驅(qū)機(jī)組的主要方面是發(fā)電機(jī)尺寸重量過大， 也帶來了機(jī)艙與塔架的設(shè)計(jì)與制造難度，并隨著功率的增大難度加劇， 而混合傳動(dòng)雖然在維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性居中，但其中速電機(jī)尺寸相對(duì)較小， 機(jī)艙內(nèi)部更加緊湊， 相應(yīng)零部件設(shè)計(jì)制造簡單，在未來更大功率風(fēng)機(jī)應(yīng)用上將具有顯著優(yōu)勢(shì)。3、大型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)（ 1）電機(jī)設(shè)計(jì)難點(diǎn)永磁體是永磁電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，同事它也是磁路的組成部分之一。 由于不同型號(hào)永磁體的內(nèi)在磁性能差異較大、此路結(jié)構(gòu)形式多樣、漏磁路復(fù)雜且漏磁比例較大，同時(shí)還要考慮故障下的過流沖擊及正常運(yùn)行時(shí)工作溫度帶來的永磁

8、退磁問題等，都使永磁發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)變得異常復(fù)雜。而永磁體材料中有大量的稀有金屬，如果永磁材料用得過多會(huì)造成成本的增加，過少又達(dá)不到使用要求，因而兼顧經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性也是方案設(shè)計(jì)的重要考核目標(biāo)之一。除了合理的磁路設(shè)計(jì)，還要考慮如何確切地計(jì)算出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng)阻力矩并采取措施予以降低， 如果起動(dòng)阻力矩小，發(fā)電機(jī)在較低風(fēng)速便能起動(dòng)發(fā)電， 就可以更加有效地利用資源， 提高發(fā)電性能。在開發(fā)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，電機(jī)的溫升也是電機(jī)設(shè)計(jì)的主要關(guān)鍵點(diǎn)。由于永磁電機(jī)運(yùn)行在風(fēng)機(jī)上，空間狹小，散熱性能較差，如果電機(jī)散熱設(shè)計(jì)不合理， 工作溫升過高會(huì)導(dǎo)致永磁體退磁，帶來電機(jī)出力不夠、效率下降等一系列問題，因而如何利用有限空

9、間， 同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)行效率， 設(shè)計(jì)出合理的散熱系統(tǒng)是一個(gè)重點(diǎn)與難點(diǎn)問題。此外，風(fēng)機(jī)往往運(yùn)行在戈壁、鹽海、灘涂及海上等環(huán)境惡劣的地方，尤其對(duì)于大功率機(jī)組安裝在海上將是未來的一個(gè)必然趨勢(shì)，因而如何對(duì)電機(jī)進(jìn)行防護(hù)將是設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵因素。 如果永磁體不能很好地防護(hù)，表面腐蝕會(huì)導(dǎo)致電機(jī)性能下降，而鹽霧、風(fēng)沙以及雨水的侵蝕，也會(huì)造成電機(jī)絕緣性能的下降， 嚴(yán)重時(shí)將會(huì)造成擊穿事故的發(fā)生。3.2 電機(jī)工藝難點(diǎn)目前大功率電機(jī)均采用先將永磁體充磁后，再安裝到轉(zhuǎn)子上，這就帶來了永磁體的安裝問題。磁極由多個(gè)永磁體組成， 永磁體由專門的磁材廠家制作并充磁， 目前風(fēng)電用永磁體多為燒結(jié)工藝制作，永磁體機(jī)械強(qiáng)度小且易碎，同時(shí)永磁體的強(qiáng)磁性又使其容易吸附在鐵心、轉(zhuǎn)軸等地方，增加了安裝難度，尤其對(duì)于內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，一旦安裝中發(fā)生永磁體破碎，碎塊殘留在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，很難清理，因而必須設(shè)計(jì)可行的導(dǎo)入工裝來保證安裝成功。 而對(duì)于面貼式結(jié)構(gòu)，還要考慮如何固定永磁體， 目前較多的處理方式是將永磁體用特殊的粘接劑粘在磁軛表面， 防止轉(zhuǎn)子運(yùn)行 時(shí)，永磁體脫落或在磁軛表面移動(dòng)。永磁體安裝完畢后，下一個(gè)面對(duì)的難題就是定轉(zhuǎn)子的套裝。與傳統(tǒng)套裝不同，安裝了永磁體的轉(zhuǎn)子整體吸附力極強(qiáng)， 轉(zhuǎn)子之間氣隙較小，在總裝時(shí)容易造成定、 轉(zhuǎn)子之間因吸力大而發(fā)生碰撞，一旦定、轉(zhuǎn)子吸附在一起將難以分開，甚至報(bào)廢，且易造成人身傷害。因而傳統(tǒng)的立裝或臥裝工