永磁電機在風力發電系統中的應用及其發展趨向

王鳳翔

（沈陽工業大學電氣工程學院 沈陽 110870）

1 引言

風能作為一種清潔和可再生能源獲得越來越廣泛的應用，風力發電更是成為近年來獲得迅速發展的能源應用領域。風力發電有兩個突出的特點：一是風能密度不夠大，要獲得大功率的風能需要采用直徑很大的風力機，對于MW級的風力機，槳葉直徑需要數十米甚至上百米，風力機的轉速很低，只有10～20r/min；二是風速和風向的多變和不穩定性，為了獲得電壓和頻率穩定的電能，風力發電機需要采用變速恒頻控制技術[1]。

在輸出功率相同的條件下，電機的體積近似與電機的轉速成反比，為了減小發電機的體積以降低電機的成本，可通過多級增速機構將風力機的轉速增至1 000～2 000r/min，然后驅動風力發電機。采用高速發電機雖然電機成本降低了，然而所增加的齒輪箱由于機械磨損和潤滑需要定期維護，成為風電系統的故障多發部位[2]。據統計1997～2005年期間瑞典風電場中，齒輪箱和發電機的故障率分別為風電系統總故障的 19.4%和 8.9%，而 1996～2004年期間芬蘭風電場中齒輪箱和發電機的故障率分別占風電系統故障率的 32%和 4%，齒輪箱是整個風電系統中故障率最高的部件[3,4]。為了提高風電系統的可靠性和降低運行成本，近年來開始推行取消增速箱采用低速風力機直接驅動的風力發電系統，雖然發電機的體積和成本增加，但系統效率和發電量增加而運行成本降低。隨著單機功率的增加，低速直驅風力發電機的體積和重量越來越大，3MW以上的直驅發電機的外徑超過5m，受鐵路和公路的限制，難以在陸地上整體運輸，因此又出現了中速（又稱為半直驅）風力發電系統，即采用1～2級齒輪箱將風力機的轉速增至250～500r/min，這是在高速和低速風力發電機之間的一種折中方案，一方面可減小發電機的體積和降低制造成本，另一方面可降低對增速機構的要求，在一定程度上減小了齒輪箱的故障率[5]。

針對風力機轉速變化實現變速恒頻的發電技術，通常有兩種途徑：①采用繞線轉子感應電機的雙饋運行方式，針對發電機轉速的變化，適時調節轉子繞組電流的頻率、幅值、相位和相序，實現定子繞組輸出電壓的恒頻恒壓控制；②在變速運行風力發電機的輸出端，采用電力電子功率變換器，將頻率和幅值變化的交流電轉變為頻率和幅值恒定的交流電能。在后一種變速恒頻系統中，雖然可以采用各種類型的交流發電機，如電勵磁的凸極和隱極同步發電機，感應發電機和磁阻發電機等，但這些電機在功率密度和電機效率上都無法與永磁電機相比擬。例如，傳統電勵磁的同步發電機與永磁發電機相比，不僅勵磁繞組需要增加電機的體積和重量，而且由于勵磁繞組的功率損耗，電機的效率要損失2～4個百分點。因此，永磁發電機無疑是采用電力電子功率變換器變速恒頻風力發電系統的最佳選擇[2]。

綜上所述，從電機轉速看，可分為高速、中速和低速三種結構風力發電系統，而從變速恒頻風力發電機類型來看，主要有交流勵磁的雙饋感應電機和不需要勵磁的永磁電機兩種。由于雙饋電機也是一種電勵磁電機，勵磁功率隨著極數的增加而增大，不適合于多極低速風力發電系統。綜合電機轉速和電機類型來看，目前在MW級風力發電系統中獲得實際應用的主要有以下四種：①高速雙饋感應發電機（DFIG）；②高速永磁發電機（HSPM）；③中速半直驅永磁發電機（MSPM）；④低速直驅永磁發電機（DDPM）[1,6]。

本文將首先針對上述四種不同結構風力發電系統的特點與性能進行對比分析，然后闡述永磁風力發電機的設計要點和關鍵技術，最后討論永磁風力發電機的技術發展趨向。

2 不同結構風電系統的特點與性能對比

2.1 不同結構風力發電機的特點

四種不同結構風力發電系統的示意圖如圖1所示。除了低速直驅以外，高速和中速風電系統皆需要增速齒輪箱，而采用永磁發電機的系統皆需要全功率的功率變換器。從發電機來看，不同的風電系統有其自身的設計特點。

圖1 不同結構風力發電系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of different structure wind power generation systems

2.1.1 DFIG系統

由于雙饋電機定子繞組電壓的頻率受電網頻率制約，電機的變速運行范圍有限，因而當額定轉速確定之后雙饋電機的極數隨之確定。例如，對于一臺額定轉速為1 750r/min的DFIG電機，運行速度范圍1 000～2 000r/min，需采用采用4極電機，當電網頻率為 50Hz時發電機的同步轉速為 1 500r/min。由于轉子繞組變流器的功率僅為轉差功率，與永磁發電機所需全功率的變流器相比，所需功率較小，成本較低。

由于額定轉速遠高于同步轉速，在額定轉速運行時雙饋發電機轉子繞組的電流頻率較高，轉子銅耗和鐵耗比一般感應電機大得多。此外，變流器供電系統的諧波電流也會產生轉子附加損耗，因此在DFIG電機設計中需要充分考慮轉子的散熱問題。

2.1.2 HSPM系統

在高速風力發電系統中，用永磁電機取代雙饋電機的優點為：①取消了轉子的集電環和電刷，提高了電機的運行可靠性；②減小了轉子的銅耗和鐵耗，提高了電機的效率；③減小了電機的體積和重量，提高了電機的功率密度。以ABB公司1.5MW高速永磁風力發電機為例，與同功率的雙饋風力發電機相比，電機尺寸可由 3 150mm×1 600mm×1 850mm 減小至2 500mm×1 700mm×1 800mm，重量由 6t降至5t。

由于采用全功率變流器，發電機輸出電壓的頻率不受電機轉速的限制，為永磁發電機的設計提供了較大的靈活性。例如對于額定轉速1 500r/min的永磁發電機，極數不一定選4極，從提高功率密度和降低電機成本來看，采用6極或8極更為有利。圖 2為在相同運行條件下不同極數 1.5MW永磁發電機主要材料用量的對比?？梢钥闯觯?極比 4極電機主要材料凈重減小30%。雖然8極電機的頻率為4極電機的2倍，單位重量鐵耗會增大，但由于8極電機軛部厚度比4極減小一半，故電機的總鐵耗并未增加，8極電機的效率甚至高于4極電機。

圖2 不同極數高速永磁風力發電機定轉子主要材料用量對比Fig.2 Material consumption comparison of high speed PM wind generator with different poles

考慮到永磁體可以承受較大的壓應力而承受拉應力的能力很低，HSPM系統中的永磁轉子一般采用埋入式結構，將永磁體插入轉子鐵心的槽中，使永磁體在高速旋轉中承受壓應力。

2.1.3 MSPM系統

中速風力發電系統是高速和低速風力發電系統的一種折中方案。相對來說，中速永磁風力發電機的設計比較靈活，比較困難的是發電機額定轉速和運行速度范圍的選取，即增速機構和速比的選取。需要綜合考慮風力機、變速箱和發電機傳動鏈的參數匹配，變速箱的性能和運行可靠性以及發電機的性能價格比等多方面因素，確定增速箱的結構和傳動速比[7]。

MSPM系統一般采用一級或兩級增速機構。如東方電氣與芬蘭Switch公司聯合開發的1.65MW半直驅永磁風力發電機的額定轉速為 150r/min，采用一級變速，當風力機額定轉速為 17r/min時，變速箱速比為8.82。德國Multibird公司5MW半直驅永磁風力發電機的速度范圍為58.6～146.9r/min，采用速比為9.92的一級行星增速箱。沈陽華創風能有限公司3.6MW和5.0MW半直驅永磁風力發電機，額定轉速分別為350r/min和575r/min，皆采用二級變速機構[8]。

2.1.4 DDPM系統

兆瓦級直驅永磁風力發電機的特點是轉速低、直徑大、極數多、頻率低和繞組匝數多，由此決定了與高速和中速永磁電機不同的設計特點。由于低速永磁電機體積大、用料多，特別是永磁材料價格昂貴，其用量直接關系到電機的成本，因此，進行優化設計和提高電機的性能價格比，就顯得尤為重要[9,10]。

DDPM系統的永磁發電機設計，需要重點考慮以下幾方面的問題：

（1）電機結構的選?。河来烹姍C有多種結構形式，從磁路的路徑可分為徑向磁通、軸向磁通和橫向磁通結構等，每種磁通結構又可分為多種定轉子結構[11-13]。不同結構形式對于電機的性能和制造成本有著重要的影響。目前DDPM系統采用最多的是具有傳統徑向磁通結構的內轉子或外轉子永磁發電機。由于電機轉子表面的圓周速度較低，永磁體可采用面貼式結構，即將永磁體直接黏貼在轉子鐵心表面并加以固定。

（2）電機極數和槽數的選?。河捎诘退僦彬層来烹姍C的定子直徑較大，而發電機輸出電壓的頻率不受電機轉速的限制，為永磁發電機極數和槽數的選取提供了更大的靈活性。增加極數可以減小定轉子鐵心軛部的截面積，同時可縮短定子繞組端部的長度，有利于減小電機的體積和損耗，因此DDPM一般采用多極多槽結構。

在選取電機極數和槽數時，要考慮多方面的影響因素，特別是極數和槽數的配合問題，一般采用每極每相分數槽繞組，同時適當選取永磁體的極弧寬度，以最大限度減小齒槽脈動轉矩[14]。

（3）電磁負荷的選?。旱退僦彬層来虐l電機定子鐵心中的磁通變化頻率很低和鐵耗很小，可適當增加鐵心中的磁通密度，但不宜通過增加永磁體用量來提高磁負荷。此外，由于定子繞組匝數較多，定子繞組銅耗占電機總損耗的絕大部分，從提高電機效率考慮，需要適當控制定子繞組的電流密度，不可選取過高。

（4）冷卻方式的選?。焊咚儆来棚L力發電機，由于體積小熱負荷大，一般需要水冷方式。低速直驅風力發電機由于體積大有較大的散熱面積，一般采用強迫風冷方式就可以達到散熱要求。特別是可以在定子機殼外表面加散熱筋，充分利用穿過風力機的強大氣流進行自然風冷，如圖3所示[15,16]。

圖3 利用通過發電機定子外表面的氣流進行自然風冷Fig.3 Natural cooling by use of air passing through the stator outer surface

2.2 不同結構風力發電機的性能對比

下面對于不同結構風力發電機進行運行性能的對比。

2.2.1 運行效率

以額定功率2MW的變速恒頻風力發電機為例，在相同運行條件下，不同結構風力發電機的運行效率（包括增速機構的傳動效率）計算值如圖 4所示[17]。顯然，低速直驅永磁風力發電機的效率最高，而雙饋發電機的效率最低，特別是在低于60%額定風速時，永磁風力發電機的優勢更為明顯，當風速低于 35%額定風速時，雙饋發電機難以正常發電。

圖4 不同結構風力發電系統電機效率對比Fig.4 Efficiency comparison of different wind power generators

2.2.2 年發電量

同樣以額定功率 2MW的發電機為例，對于三種平均風速不同結構風力發電機年發電量的對比見表1[17]?？梢钥闯?，對于平均風速5.4m/s的低風速情況，低速直驅永磁風力發電機的年發電量最多；而對于中等和較高平均風速，中速永磁風力發電機的發電量最多。各種風速條件下，雙饋發電機的發電量皆為最少，由此可以看出永磁風力發電機的優勢所在。

表1 不同結構風力發電機的年發電量對比Tab.1 Comparison of annual energy output for different structure wind generators

2.2.3 運行可靠性

由于無集電環電刷、無變速箱和軸電壓低，直驅永磁風力發電機最為可靠，低速、中速和高速永磁發電機的運行可靠性依次排名前三位，而雙饋發電機的運行可靠性最差（見表2）。

表2 不同結構風力發電機的運行可靠性對比Tab.2 Comparison of operation reliability

2.2.4 低電壓穿越和無功補償能力

對于并網型風力發電機，除了能夠輸出穩定和波形良好的電能外，還需要有無功補償能力和電網故障時的低電壓穿越能力。由于雙饋發電機的定子繞組直接并網，轉子勵磁電流受變流器容量制約，其低電壓穿越和無功補償能力受到限制[18,19]。

永磁發電機輸出通過全功率變流器并網，其輸出電能質量和無功補償及低電壓穿越能力要比雙饋發電機好得多[19,20]。

2.2.5 制造成本

不同結構風力發電系統的制造成本，受原材料、加工費和市場物價等多方面因素的影響，難以準確對比。文獻[23]提供了一臺采用三級增速機構的3MW 雙饋風力發電機（DFIG）與直驅永磁風力發電機（DDPM）的成本對比，可供參考。如圖 5所示，DDPM系統總成本約高出DFIG系統34%。DFIG系統中，增速機構占了 DFIG系統成本的三分之二以上；而DDPM系統中，輔助部件和變流器占總成本的63%，永磁體僅為有效部件的一部分，其成本在系統總成本中所占比例不算太大。

圖5 3MW雙饋發電機與直驅永磁發電機成本對比Fig.5 Cost comparison of 3MW DFIG with DDPM

發電機是風力發電系統的一個部件，其成本在系統總成本中的比例，可用圖6來說明。圖6是基于文獻[21]所提供數據繪制的一臺 2MW 直驅永磁風力發電系統部件成本的分布圖?？梢钥闯?，風力機占系統成本的29%，其次是發電機，占系統成本的25%。隨著風力發電機功率的增大，電機成本在系統總成本中的比例會相應減小。對于海上風電機組，可靠性和高效率無故障運行是評價風電機組性能的主要指標，雖然直驅永磁風力發電機的成本稍高，但由于結構簡單、運行可靠和高效率，是風電機組的最佳選擇。

圖6 2MW直驅永磁風力發電系統成本分配Fig.6 Cost distribution of 2MW DDPM wind power generation system

3 永磁風力發電機的關鍵設計技術

雖然高速、中速和低速風力發電系統有不同的特點，但作為永磁風力發電機，有其設計中需要考慮的共性問題。

3.1 永磁電機結構型式的選取

按照磁通在電機中的走向，永磁電機可分為三種類型，即徑向磁通永磁電機、軸向磁通永磁電機和橫向磁通永磁電機，其基本結構如圖7所示[11,22]。

圖7 不同磁通方向的永磁電機Fig.7 Permanent magnet machines with different flux directions

3.1.1 徑向磁通永磁電機

徑向磁通電機中永磁體產生徑向磁通，有內轉子和外轉子不同結構形式，轉子上永磁體的安裝又分為面貼式、插入式和埋入式等不同方式[23]。徑向永磁電機的優點是：結構簡單，制造方便，電機的氣隙直徑和軸向長度可以獨立選取，能夠滿足不同轉速和功率范圍的要求，是目前永磁風力發電機中應用最多的一種。

3.1.2 軸向磁通永磁電機

軸向磁通電機中永磁體產生軸向磁通，具有多種結構形式，如有槽式和無槽式，雙轉子，雙定子等[24-27]。軸向永磁電機的優點是：繞組簡單，高轉矩密度，無槽式轉矩脈動和噪聲??；缺點是：無槽式需要較大外徑和較多永磁體，有槽鐵心加工困難，大直徑盤式結構保持定轉子之間的均勻氣隙比較困難，與徑向磁通結構相比電機較重。該種電機在大型直驅風電系統中尚未得到推廣應用[23]。

3.1.3 橫向磁通永磁電機

橫向磁通永磁電機中的磁通路徑是垂直于轉子旋轉方向，它可以在不減小主磁通有效空間情況下增加繞組空間。該種永磁電機也有多種不同的拓撲結構，如爪極式、單邊式、雙邊式、E形鐵心、C形鐵心等[23,28-30]。橫向磁通永磁電機的優點是：較高的力能密度、繞組簡單和具有較低的銅耗。缺點是：結構復雜制造困難，具有三維的磁通路徑和較大漏磁，力能密度優勢隨著氣隙的增大而降低。

根據有關文獻對于不同結構永磁電機的綜述和對比研究，徑向磁通永磁電機是目前大型（特別是低速直驅）風力發電系統的主要機型；軸向磁通永磁電機較適合外徑不太大的應用場合，目前尚未在兆瓦級低速直驅風力發電系統中應用；橫向磁通永磁電機較適合于氣隙較?。庀堕L度與電機外徑之比≤0.001）的應用場合，難以在具有較大氣隙的大型直驅風力發電系統中應用[23,31]。

3.2 減小齒槽脈動轉矩的方法

齒槽轉矩是由于轉子永磁體相對定子鐵心齒槽不同位置產生的一種脈動轉矩，會產生電機振動、噪聲和起動阻力矩等不利影響，齒槽脈動轉矩大小是評價永磁電機性能的一項重要指標。減小永磁發電機齒槽脈動轉矩的方法有以下幾種[32-35]。

3.2.1 采用每極每相分數槽繞組

理論和實踐證明，采用分數槽繞組是減小齒槽轉矩的有效方法。電機的每極每相槽數可表示為

式中，Z、p、m分別為電機的槽數、極對數和相數；b為整數；c/d為不可約真分數。

選取上式中分母較大的d值可有效地減小齒槽轉矩。圖 8為具有不同極槽配合的 1.5MW 直驅永磁風力發電機的齒槽脈動轉矩對比[15]。

由圖8可以看出，采用78極324槽的極槽配合（每極每相槽數q的分母d=13），永磁風力發電機的空載和負載轉矩脈動，要比120極432槽（d=5）設計方案小得多。

圖8 不同極槽配合1.5MW DDPM齒槽脈動轉矩對比Fig.8 Cogging torque comparison of 1.5MW DDPM with different pole-slot combination

3.2.2 合理選取極弧系數

一般采用極弧系數（磁極寬度與極距之比）表征不同尺寸電機中永磁體寬度的影響。極弧系數的大小，關系到永磁體相對于定子鐵心齒槽的相對位置，直接影響到電機的齒槽脈動轉矩。通過合理選取極弧系數可以削弱齒槽脈動轉矩。

需要注意的是，極弧系數的選取，不僅影響齒槽轉矩，而且關系到永磁體產生的每極磁通大小、永磁材料用量和電機成本。因此，在選取永磁體寬度和極弧系數時，需要綜合考慮多方面的要求，進行優化設計[36]。

3.2.3 斜槽或斜磁極

斜定子槽或轉子磁極是電機設計中消除齒槽轉矩的傳統和有效方法，然而大功率的風力發電機采用斜槽或斜磁極會造成制造工藝上的困難，因此在采用其他方法可以消除齒槽轉矩的情況下，盡可能避免采取斜槽或斜磁極方法。

3.2.4 采用不對稱極寬

對于每極每相整數槽繞組，可將磁極分組采用不等寬磁極，構成相對于定子繞組對稱的磁極單元，可以達到類似于分數槽方式消除齒槽脈動轉矩的效果，對于面貼式永磁轉子，其工藝性并不十分復雜。

3.3 永磁體的防失磁措施

永磁體的磁性能穩定性是永磁風力發電機長期可靠運行的保證。除了采取永磁體防氧化、腐蝕和機械損傷措施外，還需要采取防失磁措施。

目前永磁風力發電機的永磁體多采用釹鐵硼材料，可能發生的失磁主要來自兩個方面：一是溫度過高超過永磁材料所允許的工作溫度；二是定子繞組電流產生的去磁磁場過大超出了永磁體所允許的范圍。防止失磁的主要措施如下所述。

3.3.1 選用耐高溫的永磁材料

永磁電機的轉子工作溫度較高，需要選用允許工作溫度較高（＞150℃）的永磁材料，永磁體充磁后需要進行熱老化，使其有較好的熱穩定性[37]。

3.3.2 減小永磁體的損耗和保證良好的散熱條件

定子齒槽結構和繞組電流非正弦產生的空間和時間諧波，將在永磁體中產生渦流損耗。為了減小永磁體的損耗和發熱，最好在面貼式永磁體的表面加導電或導磁的屏蔽套。導電屏蔽套可使氣隙磁場高次諧波在其中產生渦流從而阻止諧波磁場進入永磁體；而導磁屏蔽套可為氣隙磁場高次諧波提供閉合回路，從而削弱進入永磁體的磁場諧波。永磁體采用屏蔽套，對于定子繞組電流產生的去磁磁場也有一定的屏蔽作用，有利于永磁體的防失磁保護[38]。此外，增大定轉子之間的氣隙，不僅可減小永磁轉子的渦流損耗，而且有利于轉子的散熱[37]。

需要采取有效的永磁轉子散熱措施，要分析計算發電機工作在最大負載和最高環境溫度下的電機內溫度分布，確實保證永磁體的工作溫度在所允許的范圍之內[16]。

3.3.3 選取永磁體尺寸時要充分考慮最大去磁情況

矯頑力反映了永磁體承受反向去磁的能力，釹鐵硼永磁體的矯頑力隨著溫度的增高而減小。要按最高工作溫度下可能產生的最大去磁條件下，選取永磁體沿磁化方向上的長度，使永磁體的工作點在退磁曲線的拐點以上。需要說明的是，永磁體的失磁是從局部開始的，采用傳統等效磁路法計算出的工作點，可能不能反映發生永磁體局部失磁情況，需要采用場路耦合方法，計算最大去磁情況下永磁體的磁場分布，核算是否有發生局部失磁的可能性[16,37,38]。

永磁風力發電機的最大去磁情況，通常按定子繞組發生三相突然短路考慮，需要指出的是，三相短路不一定電流沖擊最大，有時兩相短路電流可能比三相短路還大。圖 9所示為一臺 1.5MW直驅永磁風力發電機兩相短路和三相短路電流的比較，兩相短路電流最大值7 081A，高于三相短路電流最大值6 880A[15]。

3.4 發電機與變流器的參數匹配

圖9 1.5MW直驅永磁風力發電機三相與兩相短路電流對比Fig.9 Comparison of 3-phase and 2-phase short-circuited currents for a 1.5MW DDPM wind generator

對于永磁風力發電系統，發電機與功率變流器是不可分的，設計中必須考慮二者之間的參數配合問題。變流器實現功率變換，需要知道永磁發電機的等效電路模型參數和不同轉速下的電壓、電流和功率曲線。從機側變流器的過電壓保護考慮，特別關心最高轉速下永磁發電機的最大空載電壓值。受變流器開關器件和電路元件最高允許工作電壓的限制，如果永磁發電機的空載電壓過高，將會危及變流器的安全。

從永磁發電機的角度考慮，除了要求電控系統和變流器能夠實現發電機有功和無功功率的動態控制及故障監測和保護外，還要求變流器產生的電壓和電流諧波不能在電機中產生較大的附加損耗和造成對于繞組絕緣的危害。為此，要求在機側變流器與發電機之間裝設濾波器，并對變流器產生的du/(dt) 提出限制，例如，對于額定電壓690V的發電機，一般要求 du/(dt) 值不大于 1000V/μs?？紤]到變流器電壓和電流諧波對于發電機的影響，需要加強永磁發電機的繞組絕緣。

4 永磁風力發電機的發展趨向

風力發電機總的發展趨勢是大型化，海上風電機組的功率一般為3～10MW，要求發電機具有高效率、高功率密度和高可靠性。雖然永磁風力發電機最為適合上述要求，然而需要從電機結構、制造工藝、冷卻方式、功率變換和控制策略等方面，進行不斷的創新探索和應用實踐。

4.1 電機結構型式

4.1.1 超大直徑超薄永磁電機

增大氣隙直徑通過提高圓周速度可減小電機的體積和重量。文獻[39]提出了一種稱之為 NewGen的超大直徑和超薄的直驅永磁風力發電機，其結構如圖10a所示。

NewGen 是一種徑向磁通外轉子永磁電機，定轉子是兩個直徑很大的薄環，轉子直接固定在風力機上隨葉輪一起轉動，定子通過軛部突緣上的拉桿固定，類似自行車輪的輻條，可保證定子的剛度。定轉子之間的傳動是通過固定在定子上的多個鋼輪在轉子滑道中轉動實現的，可保證氣隙不變。

對于額定轉速19r/min額定功率4MW的NewGen永磁風力發電機，定子內徑9m，軸向有效長0.35m，據計算，該電機總重只有36.9t，而傳統結構的低速直驅和齒輪增速的發電機分別為136.8t和61.3t?？梢哉fNewGen是一種最輕的永磁風力發電機，該種電機的可行性已在一臺140kW樣機上進行了驗證，圖10b所示為試驗樣機的定子。

圖10 超大直徑永磁風力發電機[39]Fig.10 PM wind generator with super large diameter[39]

4.1.2 無鐵心定子永磁電機

定子鐵心在電機總重量中占有較大的比例，采用無鐵心定子不僅能夠減小電機的重量，而且可以消除齒槽轉矩脈動和降低電機的振動和噪聲[40]。文獻[41]提出了一種雙轉子的無鐵心定子盤式永磁風力發電機，采用了印制電路板的繞組結構，如圖11所示。據計算，一臺 2.5MW 的直驅永磁風力發電機，采用上述無鐵心繞組結構，可將電機重量由原來的55t降低到28t，約50%，可見對于減輕電機的重量十分有效。然而，由于無鐵心繞組電機的氣隙較大，要產生足夠大磁負荷所需要的永磁體較多，該電機需要3t的永磁體，約比傳統結構永磁電機增加一倍，而且由于結構和工藝比較復雜，其制造成本不一定低于傳統結構電機。

圖11 無鐵心定子雙轉子盤式永磁風力發電機[41]Fig.11 PM wind generator with coreless stator dual rotor[41]

4.1.3 組合式永磁電機

為了減小電機體積和提高功率密度，不僅提出了多定子和多轉子的軸向磁通和橫向磁通永磁風力發電機，而且傳統徑向磁通結構的永磁電機，也出現了內外轉子電機組合式的永磁風力發電機。圖12所示為徑向磁通組合式永磁風力發電機的兩種組合方式，圖12a為將一臺內轉子永磁電機放入另一臺外轉子永磁電機的內腔之中，然后將兩個定子合并為共用鐵心的一個定子[42]；而圖12b則為將一臺外轉子放入另一臺內轉子電機的內腔之中，然后將兩轉子連接在一起。

圖12 組合式永磁風力發電機Fig.12 Combinational PM wind generators

相比之下，后一種組合方式電機加工制造和裝配更為方便。兩個轉子組合可以采用共用轉子鐵心的N-S型永磁體結構，也可以采用具有隔磁間隙的獨立轉子鐵心的N-N型永磁體結構。采用N-N型永磁體結構的內外轉子電機沒有電磁耦合關系，可以獨立運行，有利于發電機的冗余化控制。據計算，在一臺 3MW 的內轉子直驅永磁風力發電機的內腔中插入一臺 2MW的外轉子永磁電機，在不增加外形尺寸的情況下，可構成一臺額定功率為 5MW的直驅永磁風力發電機[43]。

4.2 電機制造工藝

為了便于加工制造、運輸、現場安裝和維修，大型風力發電機的設計制造工藝正在向模塊化方向發展。將電機的定轉子劃分為電磁對稱的多個單元，電機各部件按模塊生產，然后在現場進行組裝。圖10～圖 12中的電機都可以進行模塊化設計和加工制造。

傳統分布短距雙層繞組線圈之間相互疊壓，不容易分瓣進行模塊化生產。近來采用一種單層集中繞組結構，線圈之間沒有疊壓關系，不僅有利于繞組的加工制造和實現電機的模塊化，而且由于每個線圈套在一個定子齒上，大大縮短了繞組的端部長度，可減少繞組的用銅量和損耗。同時，由于可采用分數槽集中繞組，同樣可以減小電機的齒槽脈動轉矩[44,45]。

4.3 電機冷卻技術

低速直驅永磁風力發電機，由于體積和散熱面積較大，一般采取自然和強迫風冷。大功率的中速和高速永磁風力發電機，由于熱負荷較大及散熱面積有限，多采用水冷方式。改進散熱條件和增加散熱能力，有利于提高電機的電磁負荷從而減小電機的體積和重量。近來對于風力發電機采用先進冷卻技術的研究十分活躍。

4.3.1 蒸發冷技術的應用

蒸發冷卻是一種新型冷卻方式，已成功應用于大型汽輪發電機和水輪發電機[46,47]，也可以在大型風力發電機中推廣應用。中科院電工所與沈陽華創風能有限公司合作，率先開展了風力發電機蒸發冷卻技術的應用研究，所研制的蒸發冷中速半直驅3.6MW永磁風力發電機已經下線[8]。采用蒸發冷卻，可以提高電機的熱負荷，有利于減小電機的體積和重量，較適合于高速永磁風力發電機。在低速直驅發電機中，由于匝數較多繞組損耗在電機總損耗中占主導地位，增加繞組電流密度會導致繞組損耗增加和電機效率下降，因而采用蒸發冷的效果受到電機效率的制約。在高速電機中繞組銅耗較小，增加電流密度對于電機效率的影響較小。

4.3.2 高溫超導技術的應用

采用高溫超導（HTS）冷卻技術，可使傳統電機的重量降低三分之二而損耗降低二分之一[48]。隨著新一代低成本高溫超導（2G HTS）線材的開發應用，使得高溫超導電機具有市場競爭力[49]。目前國內外都在積極開展對于高溫超導風力發電機的應用基礎研究，集中在10MW級高溫超導低速直驅風力發電機的可行性研究，中科院電工所正在進行100kW模擬樣機的研究工作[50,51]。

4.4 電機增速機構

為了克服齒輪增速裝置的機械摩擦損耗、振動和噪聲等缺點，國內外開展了對于磁性齒輪的研究。磁性齒輪是一種無機械接觸、無需潤滑并具有過載自動保護功能的新型變速機構。磁場調制式磁性齒輪的結構如圖13所示，類似一臺單定子雙轉子永磁電機，只是在定子上僅有鐵心而無繞組[52]。

磁性齒輪的工作原理是利用定子調磁鐵心對于內外轉子上永磁體磁場的調制作用，使所調制的諧波磁場與對面永磁轉子具有相同的極數而相互作用。為此，內外永磁轉子的極對數之和需等于定子調磁鐵心的塊數，磁性齒輪的速比Gr為

圖13 磁性齒輪結構示意圖Fig.13 Configuration of a magnetic gear

式中，pl、ph和ns分別為內外永磁轉子的極對數和定子調磁鐵心塊數。

風力機驅動磁性齒輪的外轉子低速旋轉，而內轉子則以增速比為Gr的速度旋轉，驅動永磁發電機高速轉動?？梢岳糜来艃绒D子作為高速永磁發電機的轉子，而在其內部放入發電機的定子，構成一臺磁性齒輪與發電機集成在一起的具有雙轉子和雙定子的風力發電機，如圖14a所示[53]?；蛘?，再進一步集成化，直接將發電機的繞組放入磁性齒輪定子調磁鐵心塊之間，成為如圖14b所示的雙轉子單定子結構[54]。

圖14 磁性齒輪永磁風力發電機Fig.14 Magnetic geared PM wind generator

4.5 功率變換技術

受變流器制造成本的制約，目前 3MW 以下的永磁風力發電機多采用額定電壓為690V的變流器。隨著功率的增大，采用低壓變流器會使發電機的額定電流過大，繞組出線過粗，不僅產生較大的線路損耗，而且造成機組安裝和維護的諸多不便。3MW以上的風力發電機，逐漸向提高額定電壓采用中壓（3～6kV）變頻器方向發展。

永磁風力發電機采用的全功率低壓變流器，多采用兩電平的背靠背雙 PWM變流器拓撲結構，而中壓變流器采用多電平結構，采用AC-DC-AC功率變換方式[55,56]。采用矩陣變流器的 AC-AC直接功率變換系統，省去交流側的濾波器和直流側的電解電容，可節約成本和提高變流器效率，是功率轉換技術的發展趨向之一[57]。安川電機（Yaskawa Electric）推出了大型風力發電機專用Enerwin系列中壓矩陣變流器，可配套用于功率2～5MW、電壓3～4.15kV的永磁風力發電機，與同功率和電壓等級的 AC-DC-AC變流器相比，效率可提高1～2個百分點，體積和成本可降低30%～50%[58]。

4.6 電機控制技術

風力發電機控制技術的發展方向，是在提高機組系統效率和電能質量的同時，提高運行可靠性和故障容錯能力[59,60]。

從發電機和功率變換控制角度來看，采用多相和多繞組結構，不僅可以提高電機的出力，而且有利于發電機的容錯運行[61]。

在2011年電機與系統國際會議(ICEMS)上，美國Wisconsin大學的T.A.Lipo教授提出了一種電機“開繞組 (open-winding)”理論，為電機和變流器的多相多繞組冗余控制技術提供了一種新的思路[62]。

開繞組突破了交流電機三相繞組的傳統Y聯結或△聯結方式，每相或每個繞組具有獨立的端子，可以采取與變流器不同的連接方式構成不同的功率變換電路拓撲結構，如圖15所示?？梢詫⑷嗬@組拓展到多相多繞組結構，通過變流器的柔性智能控制，可在電機繞組或變流器發生開路或開路故障時，實現功率變換系統的冗余控制。

圖15 三相開繞組接線方式Fig.15 Connection modes of 3-phase open-winding

5 結論

高速、中速和低速直驅風力發電系統的對比分析表明，永磁發電機在系統效率、年發電量、電能質量和可靠性等方面，明顯優于雙饋發電機，只是制造成本略高。

永磁風力發電機具有多種結構型式，目前仍以內轉子或外轉子徑向磁通結構為主。永磁發電機的設計需要注意減小齒槽轉矩脈動、防止永磁體失磁以及發電機與變流器的合理匹配問題。

永磁風力發電機的技術發展趨向，概括起來是：結構形式多樣化和組合化，制造工藝模塊化，冷卻技術現代化，功率變換高壓化和控制技術智能化。

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