現代永磁電機在風力發電系統中的應用

張繼鵬劉慧博

（1.包頭市永磁電機研究所，包頭014030；2.內蒙古科技大學信息工程學院，包頭014010）

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現代永磁電機在風力發電系統中的應用

張繼鵬1劉慧博2

（1.包頭市永磁電機研究所，包頭014030；2.內蒙古科技大學信息工程學院，包頭014010）

摘要：隨著全球經濟的不斷發展和人類文明的不斷進步，人們對各種資源的需求和利用都在提升。電力作為現代不可或缺的能源動力，直接關系人們生產生活的質量和水平。針對傳統的三大產電資源——煤炭、石油、天然氣開采過度的現狀，結合近年來人們對自身生活環境要求的不斷提高，本文將重點探討新型環保能源風力發電的開發利用，并通過分析風力發電的條件，闡述永磁電機在風力發電中的應用。

關鍵詞：永磁電機矢量控制風力發電

電力是現代生產生活中不可或缺的重要動力資源，而傳統的發電模式對自然資源的消耗巨大。隨著全球經濟的不斷發展和人類文明程度的不斷提高，越來越多的人開始重視自身生活的環境質量，而傳統發電模式在“造電”過程中會產生大量的灰塵和有害化學物質，導致資源與環境需求之間的矛盾愈演愈烈，從而迫使人類轉向尋求新型的發電方式。

風力發電是現代國家大力提倡的可再生清潔發電方式。它在應對全球環境污染和電力需求方面展現出巨大的優勢。全球的風力資源開發潛力約有3.02×109MW，這對解決現代發電問題提供了很好的轉化方式。我國西北地區的風能資源巨大，且國家在風能發電技術方向投入很大，促使我國的風力發電產業具有廣闊的前景。

1 永磁電機簡介

永磁電機區別于傳統的電力磁電機。它的結構更加簡單，占有的體積更小。同時，它在工作運行中的穩定性更高，單位時間內能夠生產的電能更多，因而在現代風力發電行業中獲得了大力發展。

永磁電機的工作原理：借助轉向器和電刷的定向變化對磁場進行切割，實現裝置內磁場的規律變化，進而產生定向電流。

永磁電動機在功能運轉上也具有非常明顯的優勢：第一，對于不同速度的外界動能刺激，可以進行較寬范圍的調速，實現發電性能的平穩運轉；第二，在遭遇強動力（即風速）刺激時，能夠承受頻繁的超荷負載。

2 永磁電機在風力發電中的應用

2.1 風力發電裝置的構成及種類

風力發電的實質是利用裝置將動能（風能）轉化成電能。風力發電裝置的主要構成有葉片、輪轂、發電機轉子、定子、底盤、監測裝置、整流罩和機艙罩等幾部分。當外界風力達到一定程度時，氣流沖擊扇葉推動風輪葉片轉動，此時的風能轉化為機械的動能，通過輪轂的狀態變化將轉矩輸送給傳動系統內部，這時安裝在底盤內的磁場被動力推動開始切割磁場內的磁感線，根據主控系統的調節，進而產生較為穩定的電流。

在不同地勢環境及其他外界因素的影響下，風力發電機被分為許多種類。按發電規模的大小，一般可分為三種：小于10kW發電量的小型發電機組、最大發電功率在100kW以下的中型發電機組以及大于100kW發電功率的大型發電機組。根據不同地勢對發電裝置的設計影響，則可將風能發電機分為水平軸和垂直軸兩種類型。永磁發電則是在直驅電機發電的技術基礎上發展起來的一項新型電機技術。

2.2 永磁電機在發電系統中的具體應用

風力發電的最根本要素是風速推動下轉子的速度控制。從現有的風力發電裝置來看，發電系統裝置分為低速直接驅動、中速半直接驅動、高速永磁驅動和雙饋電機驅動四個類型。

（1）低速直驅永磁電機風力發電的特征和應用。低速直驅永磁發電機可以在較小的風能推動下產生動能轉化，實現風能向電能的轉化，同時所產生的電流也更加為穩定。然而，在建造過程中，低速直驅永磁電機由于自身體積龐大，對地勢的要求較高。相對來說，線圈的匝數比比其他類型的電機要多。此外，運行過程中更容易出現發熱現象，因此對安裝環境的通風要求也較高。

（2）中速半直驅永磁電機風力發電系統。相比于低速直驅永磁電機的結構特點，中速半直驅永磁電機在風力發電系統中的設計相對靈活。通常狀況下，它在發電系統中會采取逐級加速的方式帶動電機工作，從而使發電系統得以穩定運行。

（3）高速永磁電機風力發電系統。高速永磁電機風力發電是當下“風口”地區最為常用的風力發電裝置。此種發電系統具有較為明顯的優勢：電機整體的質量和占用面積盡可能減少，轉子對風能的額外消耗減少，提高了電機的工作效率，同時增加了產電效率。此外，它將傳統的電刷設計改為電環，降低了外界干擾所造成的電流不穩等不利情況。

（4）高速雙饋電機風力發電系統。在實際應用環節，高速雙饋電機的使用頻率并不大。這種類型的電機發電過程對轉速的要求較高。只有在風力較為穩定的時候，才能保證電機的運轉速度的穩定性。

3 不同類型風力發電系統的性能比較

（1）成本對比。風力發電系統作為當下較為先進的發電技術，在成本投入上受到多種因素的影響。不同結構的永磁電機對環境的適應程度和運行方式不盡相同，因此當下還不能細致地對各種永磁電機成本進行比較。但是，可以從以下幾個方面進行簡要分析。電機是發電過程中將動能轉化為電能的最核心裝置，其成本投入與電能產出有著密切聯系。低速直驅永磁電機的穩定性最高，產出電流穩定，但功率相對較小；中速半直驅永磁電機成本投入較低，但穩定性較前者差，性價比相對較為靠后；高速與高速雙饋永磁電機功率產出大，但對建造地區風力的要求較高。我國西北地區由于風能資源較為豐富，因此多選用高速永磁電機作為風力發電的主要選擇。

（2）運行可靠性對比。運行的可靠性與機器自身的構造有著很大關系。運行過程中，對環境要求低的電機相對比較穩定。隨著電機結構復雜程度的升高，電機的運行同時受到多個方面的影響，往往將會出現運行穩定性下降的現象。因此，幾種永磁電機的運行可靠性順序由高到低依次為低速、中速、高速，而運行可靠性最低的是高速雙頻電機。

4 永磁電力風力發電系統的發展趨勢

風力發電的難點和重點技術是實現風能效率的轉化。現有的風能發電系統對風力的穩定性要求較高。因此，未來的發展趨勢主要是實現發電系統自身穩定性的反饋調節，在不同的風力條件下實現對動能最大效率的轉化，從而不斷促進新能源發電行業向前發展。

5 結語

全球化進程下，各國對自然資源的需求量都在逐漸增加。然而，傳統的自然資源擁有量十分有限。因而，在未來發展過程中，只有不斷尋求新的能源替代方式，才能夠在經濟世界的快速發展中保持自己的位置，發展自己的能力。未來的競爭既是經濟和技術的競爭，同時也是能源的競爭。永磁電機在發電技術中的應用是現代電力行業中較為先進，但由于其本身電刷和滑環的限制以及稀有金屬成本昂貴的原因，使該方式在風力發電環節顯現出一定的弊端。因此，在未來的發展探索過程中，可積極利用現有成果，吸取外界的先進技術和自身經驗，不斷促使對風能的利用達到一個新的水平，從而真正改變傳統火力發電的弊端。

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Application of Modern Permanent Magnet Motor in Wind Power Generation System

ZHANG Jipeng1,LIU Huibo2
（1.Baotou Permanent Magnet Machine Research Institute, Baotou 014030;2.College of information engineering Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010）

Abstract:With the continuous development of the global economy and the continuous progress of human civilization, the demand and utilization of all kinds of resources in different degrees of improvement. Electric power, as an indispensable energy source, is directly related to the quality and level of the production and life. But the traditional three natural renewable electricity production resources, coal, petroleum, natural gas, due to excessive exploitation and utilization has been depleted. And in recent years, people continue to rise to their own living environment requirements, development and utilization of new energy of environmental protection has become the focus of attention of the modern operation, the advantage of wind power gradually emerged. In this paper, through the analysis of wind power generation conditions, focus on the application of permanent magnet motor in wind power are discussed.

Key words:permanent magnet motor, vector control, modern wind power generation