大型永磁同步發電機在風力發電中的應用

趙 祥 張新麗 張世福

（1.新疆金風科技股份有限公司，烏魯木齊 830026；2.北京金風科創風電設備有限公司，北京 100176）

1 國內外大型永磁風力發電機的應用

永磁同步發電機是用永磁體來代替普通同步發電機的勵磁系統，為發電機提供勵磁的一種發電機。由于永磁發電機自身無法調節勵磁，發電機端口電壓將隨著轉速而變化，因而早期永磁發電機往往與小功率的變流裝置配套應用于小型風力發電機上，但隨著永磁技術及大功率變流技術的提高，風電新技術方案的出現，永磁發電機逐漸在大型風力發電上得到了廣泛的應用，并將成為未來風力發電機的一種趨勢。

2000年瑞典ABB公司研制成功了3MW-5MW的巨型可變速風力發電機組，其中發電機采用了低速多極的永磁式轉子結構的高壓風力發電機Windformer，由于Windformer為風輪直接驅動永磁轉子，結構簡單，可直接并網使用，具有容量大、效率高、運行可靠及環保效果好等特點[1]。

2003年日本三菱重工完全自行制造的MWT-S2000型風力發電機組上采用了2MW永磁同步電機，在Okinawa電力公司開始運行，是當時商業化應用的最大永磁風力發電機[2-3]。

2005年德國 Multibrid安裝了第一臺 5MW 風機，M5000風機由德國工程咨詢公司aerodyn設計，采用了單級齒輪箱和水冷式中速永磁同步發電機相結合的混合傳動技術[2]，相比傳統三級齒輪箱的雙饋技術方案，大大簡化了傳動系統結構，提高了電能品質，而相比直驅技術中采用的低速電機，中速電機的尺寸和重量也大為減小，從而為生產、運輸和吊裝帶來了一系列的優勢。

采用永磁電機的其他國外風機廠商也為數眾多，如基于Multibrid授權，WinWind 的WWD1和WWD3 機型、Multibrid的5MW機型；采用帶三級齒輪箱的GE公司2.5XL系列的永磁風力發電機；Vensys的1.5MW及2.5MW直驅永磁風力發電機、Scanwind的3MW和3.5MW直驅永磁風力發電機等。

圖1 Multibrid公司5MW半直驅永磁發電機

圖2 Vestas公司3MW機組配套永磁發電機

圖3 Scanwind機組配套的永磁發電機

國內目前能夠批量化生產永磁風力發電機僅有金風科技和湘電風能公司兩家風電整機廠商。

Siemens機組的陸上風電采用異步發電機+全功率變流，而海上風電發電則采用直驅永磁和全功率變流的技術路線。Vestas 即將推出高速齒輪箱、永磁風力發電機和全功率變流的3MW機組，未來的6MW機組公司官方宣稱為直驅機組。GE 2.5XL系列機組為高速齒輪箱、永磁風力發電機和全功率變流機組，最近GE公司收購了Scanwind 公司，其擁有3MW、3.5MW直驅永磁機組。GE公司計劃利用1.5MW機組成熟的開發和運行經驗，把3MW直驅機組打造成為海上風電的主力機型。Gamesa公司則推出了中速齒輪箱、永磁風力發電機和全功率變流的4.5MW機組。從以上幾個國際主要風力發電機廠商的最新技術路線來看，其共同的技術趨勢是永磁風力發電機和全功率變流技術，將成為海上風力發電機組的技術發展趨勢。

2 不同類型風力發電機的技術對比

目前風電市場中，以三級齒輪箱加雙饋異步發電機為技術方案的變速恒頻風力發電機應用最為廣泛。但隨著大功率器件的發展，大功率變流器的成本及技術瓶頸已逐漸打破，低速同步發電機配全功率整流器的直驅式結構成為了風力發電的另一個重要發展方向。永磁電機具有結構簡單、效率高、免維護等優點，尤其在船舶、風機等這種對電機穩定性要求高且維修不易的環境中具有應用優勢，因而低速永磁電機往往是直驅式結構風機用發電機的首選方案。

隨著風力發電機不斷大功率化，雙饋式風力發電機組齒輪箱的機械故障率較高，穩定性及電能品質較差，同時直驅式風力發電機組中的低速同步電機尺寸偏大也增加了設計及運行難度，因而將上述兩種方案相結合的第三種技術路線即齒輪箱加中高速同步電機的混合傳動結構風機（基于Multibrid技術）異軍突起，而采用永磁同步發電機作為中高速等級的同步電機也是最優的選擇。

除了上述三種最具代表的技術路線外，其他一些技術路線不再在此贅述，下面僅對風力發電上最多采用這三種方式進行分析。

（1）變速恒頻雙饋式風力發電機

如圖4（a）所示，雙饋式風力發電機組主要由風機葉輪、三級齒輪箱、雙饋異步發電機、雙向PWM變流器等部件組成。雙饋機的定子與電網直接連接，而轉子通過滑環與變頻器連接到電網中，通過調節轉子勵磁電流，可實現對發電機無功功率和有功功率的調節。由于該發電機定轉子都有外接電源并與之實現能量交換，因而稱為雙饋發電機[4]。

雙饋式異步發電機具有技術成熟、風機廠商進入的門檻低、制造成本低、非全功率變流器容量小等優點，但是同時也具有運行范圍較窄、轉子滑環部分容易磨損、齒輪箱機械部件故障率高維護量大、對電力品質相對較差等不足[5]。這種齒輪箱加常規電機的傳統技術路線，將有可能在即將到來的新一輪風能產業技術革新中被新的技術方案所取代[2]。

（2）直驅同步風力發電機

直驅風力發電機組包括風機葉輪、多極低速同步發電機、全功率變流器等。風機的控制系統主要靠變流器對發電機輸出電流進行調節，從而實現對轉矩的調節。由于此類發電機組中風力機與發電機直接連接，而不使用齒輪箱即“直接驅動”的風力發電技術，因而被稱為直驅風力發電機[6]。

與雙饋式風機不同，此風機系統的輸出功率通過全功率變流器輸送到電網中而與電網徹底隔開，電能品質優越；同時直驅風力發電機組省去了故障率高的齒輪箱，傳動系統簡單，可靠性增加，維護性好；由于低負荷下能發出更多的電能，又使其具有較高的效率[2]。

圖4 三種風力發電機機組結構示意圖

（3）混合傳動風力發電機

混合傳動風力發電機包括風機葉輪、齒輪箱、中高速發電機及全功率變流裝置。風機葉輪轉速經齒輪箱后被升高至 100～2000r/min的中高速等級，再與中高速等級發電機相連，發電機發出的功率通過全功率變流器后并網運行。

相比三級齒輪箱的雙饋方案，此種技術方案可將傳動系統簡化，可靠性高，電能品質優越；相比帶低速發電機的直驅方案，其發電機轉速高，尺寸重量大幅降低，制造難度降低，運行穩定性也有所提高。

在這種方案下，理論上可選用永磁同步發電機、電勵磁同步發電機作為發電設備，但由于永磁電機具備前述的優越性，目前采用這種技術路線的Multibrid和Winwind兩家公司都無一例外選用了永磁發電機。

（4）對比關系

根據上述分析，對各種性能指標進行總結，并列在表1中。

表1 三種技術路線的指標對比

可以看出，雙饋機組雖然技術門檻低，價格便宜，但在電能品質、維護性和穩定性都不及其他兩種方案；制約直驅機組的主要方面是發電機尺寸重量過大，也帶來了機艙與塔架的設計與制造難度，并隨著功率的增大難度加劇；而混合傳動雖然在維護性和經濟性居中，但其中速電機尺寸相對較小，機艙內部更加緊湊，相應零部件設計制造簡單，在未來更大功率風機應用上將具有顯著優勢。

3 大型永磁風力發電機的技術難點

（1）電機設計難點

永磁體是永磁電機代替傳統電機勵磁系統的關鍵部件，同時它也是磁路的組成部分之一。由于不同型號永磁體的內在磁性能差異較大、磁路結構形式多樣、漏磁路復雜且漏磁比例較大、同時還要考慮故障下的過流沖擊及正常運行時工作溫度帶來的永磁退磁問題等，都使永磁發電機的電磁設計變得異常復雜。而永磁體材料中含有大量的稀有金屬，如果永磁材料用得過多會造成成本的增加，過少又達不到使用要求，因而兼顧經濟性與穩定性也是方案設計的重要考核目標之一[7-8]。

除了合理的磁路設計，還要考慮如何確切地計算出風力發電機的起動阻力矩并采取措施予以降低，如果起動阻力矩小，發電機在較低風速時便能起動發電，就可以更加有效地利用資源，提高發電性能。

在開發永磁風力發電機時，電機的溫升也是電機設計的主要關鍵點。由于永磁電機運行在風機上，空間狹小，散熱性能較差，如果電機散熱設計不合理，工作溫升過高會導致永磁體退磁，帶來電機出力不夠、效率下降等一系列問題，因而如何利用有限空間，同時兼顧經濟性及運行效率，設計出合理的散熱系統是一個重點與難點問題。

此外，風機往往運行在戈壁、鹽海、灘涂及海上等環境惡劣的地方，尤其對于大功率機組，安裝在海上將是未來的一個必然趨勢，因而如何對電機進行防護將是設計成敗的關鍵因素。如果永磁體不能很好地防護，表面腐蝕后會導致電機性能下降，而鹽霧、風沙以及雨水的侵襲，也會造成電機絕緣性能的下降，嚴重時將會導致擊穿事故的發生。

（2）電機工藝難點

目前大功率電機均采用先將永磁體充磁后，再安裝到轉子上，這就帶來了永磁體的安裝問題。磁極由多個永磁體組成，永磁體由專門的磁材廠家制作并充磁，目前風電用永磁體多為燒結工藝制作，永磁體機械強度小且易碎，同時永磁體的強磁性又使其很容易吸附在鐵心、轉軸等地方，增加了安裝難度。尤其對于內置式結構，一旦安裝中發生永磁體破碎，碎塊殘留在轉子鐵心內部，很難清理，因而必須設計可行的導入工裝來保證安裝成功。而對于面貼式結構，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，防止轉子運行時，永磁體脫落或在磁軛表面移動。

永磁體安裝完畢后，下一個面對的難題就是定轉子的套裝。與傳統套裝不同，安裝了永磁體的轉子整體吸附力極強，定、轉子之間氣隙較小，在總裝時容易造成定、轉子之間因吸力大而發生碰撞,一旦定、轉子吸附在一起將難以分開，甚至報廢，且易造成人身傷害。因而傳統的立裝或臥裝工藝已無法滿足要求，因此必須制作精確的導入及定位工裝，在保證定、轉子絕對同心的條件下再行總裝是套裝工藝的關鍵[9]。

另外，在制造過程中，還必須做好清潔防護工作，防止鐵屑、雜物掉入，工序安排也要合理，永磁體安裝后，盡量避免再進行焊接、打磨等容易產生鐵屑的工序。同時在永磁體運輸過程中及發電機安裝完成后，要做好防護工作。

4 永磁風力發電機在金風機組上的應用

（1）直驅永磁風力發電機

金風科技在引進Vensys技術后，經過二次研發，目前已形成 1.5MW 直驅風力發電機的批量化生產。1.5MW采用永磁發電機，相比直驅電勵磁風力發電機在尺寸和重量上相對較小，結構簡單；永磁體面貼在轉子表面，便于安裝，也利于永磁體表面散熱；采用了外轉子結構、自然空冷的獨特通風設計，大大提高了散熱效果，也省去了冷卻設備，使整機具有較高的效率。

圖5 金風1.5MW風機安裝

隨著 1.5MW 兆瓦機組的運行穩定性逐步提高，機組的高使用效率和低故障率為業主所滿意，可以說，永磁直趨技術路線的可行性得到了驗證。但由于目前國內風電場招標還是以單機價格為主要指標，直驅型機組優勢沒有得到充分體現，隨著時間推移，永磁直驅風機的高效、低維護和高的可利用率的優良特性將逐漸顯現，同時隨著風電場電網接入標準的制定，直驅型機組將體現出更大的綜合性價比優勢。

金風2.5MW發電機同樣采用了和1.5MW相類似的外轉子永磁同步電機的結構，但進一步的提高了整個發電機的防護等級，使得發電機具有很好的防塵、防水等抵抗惡劣環境的功能；此外，由于通風系統采用內部強制風冷的方式，冷空氣從外界進入氣隙通過徑向風道直接將線圈上的熱量帶走，因此緊湊式結構及良好散熱系統使2.5MW發電機的體積并沒有因為容量的增大而比1.5MW的體積有明顯的增加；2.5MW 發電機采用單軸承結構，這樣進一步簡化了機組的傳動鏈，從而使機組的結構更為緊湊、簡單。2.5MW 發電機克服了大型直驅風機的主要缺點并具備了適應環境能力強、體積小、結構緊湊等優點，預計會成為金風公司未來幾年的主要機型。研制的2.5MW 直驅發電機完成了全功率試驗測試。目前，2.5MW機組運行穩定，達到了全功率運行。

圖6 金風2.5MW永磁發電機全功率試驗

（2）混合傳動永磁風力發電機

鑒于混合傳動技術路線結合了傳統的高速齒輪傳動方案及現代直驅技術的優勢，更適合在大功率風力發電上采用，金風科技從2006年起，就開始了3MW半直驅式變速恒頻風電機組研制工作。其中，發電機采用了中速永磁發電機，可在不同風區內實現160～400r/min的轉速范圍內運行。轉子為永磁體插入式結構，使極限工況下永磁體抗退磁能力大為增強；采用傳統的內轉子結構，更適合電機在較高轉速下運轉；高防護等級及特殊的絕緣防護設計，更加適合未來海上機組的運行。

目前，3MW半直驅式變速恒頻風電機組已成功實現并網運行，并順利達到了全功率運行。

圖7 金風3MW永磁發電機

發電機在額定轉速下，實際測量磁體在 25.3 ℃(繞組的平均溫度)下的空載電動勢基波有效值為431.1 V，折算到磁體80℃的基波有效值為 401.5 V(Br的溫度系數為 0.12%)，有限元仿真計算在磁體為80℃的基波有效值為396.94 V，上偏差為1%。

從試驗數據和有限元計算結果對比可知，發電機的整體電磁設計方案合理，達到了設計指標。

圖8 試驗和有限元計算的空載反動勢波形對比

5 結論

永磁發電機以自身的優越性，越來越廣泛地應用于風力發電機組中。國內外許多風機廠商雖然在雙饋技術路線上有成熟的品牌機型，如GE、東汽等，但近年來都在致力于采用永磁發電機風機機型的研發制造。

同時我們也看到永磁發電機目前在結構設計、工藝制造等方面仍存在很大的改進空間，相信隨著永磁電機研發技術的提高與成本的降低、機組可靠性與可維護性要求的加大以及電力系統對供電品質的要求更加嚴格，采用永磁發電機加全功率變流的技術方案將成為海上風力發電機組的技術發展趨勢。

[1]Y. Amirat, M. E. H. Benbouzid, B. Bensaker, et al Generators for wind energy conversion systems: state of the art and coming attractions[J], Electrical Systems 3-1 (2007): 26-38.

[2]Peter Jamieson, Getting out of gear and into magnets,Windpower monthly 2008(11):59-67.

[3]Yoshinori Ueda, Hidehiko Itaka,Kosuke Inoue,Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Technical Review Vol.40 No.4 (Aug. 2003).

[4]馬洪飛, 徐殿國, 苗立杰. 幾種變速恒頻風力發電系統控制方案的對比[J].電工技術雜志, 2000(10).

[5]Hansen L H, Helle L,Blaabjerg F,et al conceptual Survey of generators and power electronics for wind turbines[R].Riso national laboratory, Technical Report Riso-R-1205(EN), Roskilde Denmark, 2001.

[6]刁瑞盛,徐政,常勇.幾種常見風力發電系統的技術比較[J].新能源及工藝,2006(2): 20-25.

[7]高徐嬌,趙爭鳴,趙強,永磁同步電機的結構與其電磁參數關系分析[J].清華大學學報,2001, 41(9):44-47.

[8]唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京:機械工業出版社,2005.

[9]牛志鈞.永磁電機制造關鍵工藝淺議[J].電機與控制應用,2007,34(4):59-61.