永磁電機在風力發電系統中的應用及其發展趨向

陳翔翔

【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。風力資源的有效開發利用，為人們的生產生活提供了更加環保、便利的動力基礎。風能發電作為現階段供電企業提供電力的重要生產方式，對社會經濟的整體發展有著十分重要的影響。電機是風力發電的基礎環節，對風力系統的有效運轉提供了有力的保障。

【關鍵詞】永磁電機;風力發電系統;應用

全球經濟快速發展的背景下，對天然氣、煤炭、石油等不可再生資源的需求量不斷增加，資源的過度開采和利用，對環境造成了嚴重的破壞和污染，資源儲量也在快速降低，為了實現人類和環境的和諧發展，必須將能源和環境提到日程中。風力發電是利用風能的一種新型技術，永磁電機具有運行可靠、效率高、功率密度大等特點，其在風力發電系統中的應用，能夠有效的提高風力發電系統生產水平和效率。因此，對永磁電機在風力發電系統中應用和發展的研究具有非常重要的現實意義。

一、永磁電機的應用類型

1、徑向磁通永磁電機。徑向電機的磁通走向顧名思義，磁通在電機中的運轉模式主要是直線流通，由于轉子的內外不同，電機的結構也存在較大的差異。徑向永磁電機通過面貼、埋入等方式在轉子上進行永磁體的安裝。該種永磁電機的特點是，造價成本相對較低，制造工藝并不復雜，生產模式簡單，并且由于徑向磁通永磁電機的規格多樣，可以滿足不同風能發電系統的技術要求，因此適用范圍較廣，是當前階段風力發電應用永磁電機的首選。

2、軸向磁通永磁電機。軸向電機產生圍繞機組流轉的磁通，由于電機的組織結構不同，分為有槽式軸向磁通永磁電機與無槽式軸向磁通永磁電機、雙轉子軸向磁通永磁電機等電機構造。軸向電機因其電磁走向呈環狀，因此繞組方便，尤其是無槽式電機的轉動時產生的振動幅度與噪音較小，方便使用。與此同時，無槽式軸向磁通電機由于規模較大，需要的部件較多;無槽式軸向磁通電機的部分設備部件的加工工藝較為復雜，操作需要的專業水平較高，不利于其在規模較大的風電系統中應用。

3、橫向磁通永磁電機。作為永磁電機的三種主要結構類型之一，橫向電機的磁通與轉子的運行方向呈90°夾角，可以有效增加繞組的空間，并且不對磁通運轉空間造成影響。按照其拓撲構造的不同，可以分為爪極式、單雙邊式、C形鐵心等形式。由于構造結構與加工工藝過于復雜，漏磁現象嚴重，力量密度變卦不穩定等，所以只適用于氣隙小的風力發電系統。與此相對應的，該種電機的繞組較為簡單、力量密度也相對較高，因此也是當前階段較為常見的永磁電機之一。

二、永磁電機在發電系統中的應用

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。

三、永磁電機在風力發電系統中的發展

近幾年，越來越多的發電廠開始以風力能源作為發電系統的主要動力，風力發電機開始逐步向大型化發展。永磁發電機作為大型風力發電系統的重要組成部分，為順應現代化經濟的發展，滿足更多企業、個人的用電需求，相關單位不斷對其進行新功能開發，以期為供電產業的發展提供更加有力的保障。

1、電機結構型式。在電機的結構方面，可以通過增加設備直徑，提高其運動速度來提升電機運行效率，降低機器的重量與面積。如從增大直徑與減少電機體積兩方面出發，研制的超薄型徑向磁通電機——NewGen。這種直徑長與體積小的永磁電機，由于其攜帶方便、使用簡單的特點，已經成為當前階段永磁電機研究的重點發展方向。與此同時，由于鐵心的重量在永磁電機的總重量所占比重較高，因此進行電機設計時，可以考慮去掉鐵心，設計無鐵心定子永磁電機，在減輕電機中力量的同時，對降低齒槽脈動噪音與震動的幅度，減少能源損耗也有著十分重要的作用。

2、電機冷卻技術。近年來，電機冷卻技術研發非常活躍，例如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。

3、電機控制技術。永磁電力風機發電系統電機控制技術的發展方向，主要集中在提高機組效率、電能質量以及運行可靠性方面，從發電機控制、功率變換控制方面來看，采用多繞組、多相結構，既能夠提高系統運行可靠性，又能夠保證電機的出力。

4、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。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。

永磁電機相較于傳統的電機，具有高效能、高運轉、高安全性等特點，為此現階段，已經被廣泛地應用于風能發電系統中來。然而，由于永磁電機的生產、加工過程中需要大量的稀土材料，其生產成本較高，無法在風能發電領域得到大范圍的普及。在此基礎之上對永磁電機進行合理的應用，維護其使用質量，延長電機的使用壽命，是電力產業快速發展的重中之重。相關技術領域應針對永磁電機的運行特點，加強對電機結構、冷卻、增速、功率變換等方面的功能研發，為供電產業快速、綠色、健康的發展提供技術層面的支持。

參考文獻：

[1] 王宏海.基于永磁同步電機的直驅型風力發電系統控制策略的研究[D].燕山大學，2016.

[2] 顏建虎，林鶴云.直驅永磁風力發電系統非線性控制策略[J].電氣開關，2015，53（3）.

（作者單位：淮南電力檢修公司）