中速永磁風力發電機集成技術特點及市場前景

王西

摘要：隨著風電行業的發展，傳統風力發電機技術在風電市場上主要分為高速雙饋發電機和低速永磁直驅風力發電機兩大主流機組，而兩款主流機組的缺點是雙饋機組高轉速，需要從電網吸收少量能量，優點體積小，成本低;低速永磁風力發電機優點切入風速低，轉速低并網友好，全功率變頻。缺點隨著功率的增大，發電機體積會越來越大。結合了雙饋發電機體和永磁發電機的優點，實現了中速永磁傳動技術，從而實現低風速小體積大功率的發電機更能適應風電發展。

關鍵詞： 中速永磁?? 集成?? …低風速??? 沿海

1、雙饋異步發電機（DFIG）和永磁同步發電機（PMSG）結構與優缺點：

雙饋異步發電機（DFIG）：屬籠型異步發電機，使用雙饋繞線的方式，是一種繞線型感應發電機，由定子繞組直連接定頻三相電網的繞線型異步發電機，安裝在轉子繞組上，通過增速齒輪箱傳遞高轉速，通過控制轉子電流的頻率，使發電機轉子轉速發生變化，從而實現電流頻率的恒定。

首先，它能控制無功功率，并通過獨立控制轉子勵磁電流解耦有功功率和無功功率控制。其次，雙饋感應發電機無需從電網勵磁，而從轉子電路中勵磁。最后，它還能產生無功功率，并可以通過電網側變流器傳送給定子。DFIG相比PMSG變流器容量小，易于安裝和維護，成本低，構造簡單，重量和體積相比同步電機大大減小，但低電壓穿越功能不強，需要在變流器中額外增加模塊，發電機轉速高，失效比例高。

永磁同步發電機（PMSG）：是以永磁發電機和全功率變流器為核心的風力發電機，通過全功率變頻器和變壓器與高壓電網相連，變頻器將發電機輸出的不停變化的交流電壓，首先變化為直流，再逆變成電壓頻率和幅值及相位與電網一致的交流電源電壓。PMSG具備最大風能跟蹤、定子側功率因數和網側功率因數調節功能以及有功、無功的解耦控制功能，由于并網電路將PMSG于電網分開，具有隔離故障能力，不會因電網故障損壞PMSG，也不會對電網產生負面影響，具備低電壓穿越功能的全功率變流器，。但其體積隨單機功率增加而增加，后期運輸不便，使用的永磁體數量多，成本高。

2、中速永磁風力發電機的構造及優勢

中速永磁風力發電機與齒輪箱一體化設計，大大縮短發電機與齒輪箱尺寸，使得整體傳動結構緊湊，占用空間縮小，傳動連接更為合理。并兼顧雙饋機組的成本優勢和低速永磁直驅的發電性能，尤其適合低風速區域運行和海上風資源，運用全功率變流器和中速永磁發電機，兩級齒輪箱，可以同體積發電機可以做到10MW以上風電機組。

2.1中速永磁發電機：無需電機滑環，可靠性高，采用特制齒廓曲線結構，降低磁鋼熱退磁風險和機械損壞風險，提高磁鋼利用率和電能質量。體積僅為直驅永磁發電機是1/10.發電機轉子集成力矩限制器，降低極限扭矩至短路扭矩的50%，預防較大的轉矩對齒輪箱的沖擊，從而降低傳動系統總成本。

中速永磁發電機的構造主要由永磁體、轉子支架、力矩限制器、線圈、調心軸承、機座構成、。永磁發電機工作原理轉子帶動磁場旋轉，定子鐵芯切割磁場產生電流，由線圈導出。

2.2中速齒輪箱：

中速永磁發電機機組采用中速齒輪箱的設計，兩級行星結構，無可靠性最差的第三級（高速級），大大降低了齒輪箱的故障率。傳遞效率比高速齒輪箱更高，重量更輕，同時減輕了永磁發電機的體積和重量，再加上其他部件的優化升級，節約了制造成本。中速永磁技術的設計特點，能夠使同容量機組的掃風面積做到更大。

齒輪箱作為風力發電機重要組成部分，主要是將葉輪轉速加速后傳遞給發電機，使發電機增加轉速進行發電。齒輪箱主要由行星架、扭力臂、IMS行星輪、LSS行星輪、軸承等組成。采用兩級行星結構，大大降低了齒輪箱的故障率，傳動效率更高，重量更輕。

3、中速永磁發電機集成技術特點

3.1易于安裝：發電機和齒輪箱通過IMS太陽輪連接，允許較大同軸度誤差，結合發電機與齒輪箱連接法蘭定位銷和螺栓連接，大大簡化安裝過程。安裝空間小，結構緊湊，，易于后期裝卸、調試、維護。

3.2高效率的傳動比例，輸入轉速12.6～13.5rpm，傳動比38.1～38.2，傳動效率≥97%，

3.3可靠性：發電機額定轉速480rpm，運行過程不產生諧波，不受電網電壓波動影響，可靠性高。

3.4振動：由齒輪箱增速后傳遞給永磁發電機，低轉速運行，振動小，噪音低，使機組平穩運行，延長機組運行壽命。

3.5扭矩過載保護：發電機轉子安裝集成力矩限制器，完全消除了因過載導致的損壞，。當機組在運行過程中，葉輪輸入負載突然過大時，發電機力矩限制器可產生打滑結束轉矩的傳遞，此時發電機繼續轉動，而負載停止轉動，從而避免造成傳動系統的損壞，大幅延長發電機和傳動系統的使用壽命。

3.6使用各種嚴酷的工作環境：允許在-30℃-+45℃，95%的相對濕度下工作。

4、我國風能分布等級及主要區域

4.1 結合《風電場風能資源評估方法》中風能密度等級表，根據測算出的有限風能密度大小，全國風能可分為四個等級取，分布如下：

（1）風能資源豐富區是有效風能密度在200W/㎡以上的地區。主要分布在內蒙古中西部等地區，半島、江浙和海南島西岸等區域的沿海地帶，福建崇武的最高值可達到392.7W/㎡。

（2）風能資源較豐區為有效風能密度在（100-200.w/㎡之間的區域，主要分布在內蒙古高原大部、甘肅河西走廊和定西地區、新疆北部、青海西北部、云南以及沿海豐富帶向內陸以內的地區。

（3）風能資源中等豐富區為有效風能密度處于（50-100）W/㎡之間的區域，主要分布在新疆中部、西藏中北部、小興安嶺、山東、河南和沿海風能較豐區向內陸以內的中間的寬闊地帶。

（4）風能資源貧乏區是有效風能密度低于50W/m2，主要分布在四川、重慶、貴州、湖南、湖北、江西、陜西和云南、廣西、廣東、安徽、河南的部分地區，以及青海東部、新疆西部、西藏東南部等地;其中青藏高原東南部、橫斷山脈、四川盆地、云南西部、貴州北部、重慶南部以及湖南西部等地的風能資源最為貧瘠，均小于40W/㎡。在重慶西陽和云南景洪，10年平均有效風能密度接近于0為全國最低值。

4.2? 沿海地區風能資源

我國海岸線資源豐富，特別是東南沿海地區，包括魯、浙、蘇、粵、滬等省（市）這些沿海近10千米寬的地帶都蘊藏了大量的可開發的風能資源，約為180000Km?。江蘇的東部沿海一線屬于溫帶亞熱帶濕潤性氣候，冬季多偏北風，夏季盛行東南風，風速較大且穩定，風能資源品質高且蘊量大。而且，江蘇擁有大量理想的風電場址，如沿海大部分海岸、淺海輻射沙洲和灘涂，有利于風能資源的開發。另外，江蘇近海具有更為可觀的風電可開發規模，為地勢平坦的灘涂，風能品質較高，技術可開發量約為18000MW，可開發面積約3600k㎡。在江蘇東臺海域附近與陸上比較，風功率密度要大25%-30%。

5、中速永磁發電機的市場前景

中速永磁發電機的兼顧雙饋發電機的體積、成本優勢和直驅發電機的發電性能優勢，在高風頻區域，中速永磁發電機傳動系數效率更優秀。中速永磁發電機的市場前景非常廣泛，既能適用于低風速地區，如風能資源貧乏區是有效風能密度低于50W/m2，主要分布在湖南、湖北、江西、安徽、江蘇的部分地區，又能適用于沿海一帶風場，如東南沿海地區風能豐富帶包括魯、浙、蘇、粵、滬等省（市），這些沿海近10千米寬的地帶都蘊藏了大量的可開發的風能資源。

結束語

風電行業兩大主流機型雙饋發電機和直驅永磁發電機已經有著成熟的技術和市場，但兩者的缺點也隨之體現出來，而清潔能源的風力發電機技術不會因此停歇，中速永磁發電機后期一定會成為第三大主流機型，成為風電事業添加一直更有力的競爭對手，也是為客戶能夠繼續增加效益的機型。中速永磁發電機的大規模生產，指日可待。

參考文獻：《自動化博覽》2010.27（9）28-30 王建維

宋婧. 我國風力資源分布及風電規劃研究[D]. 華北電力大學（北京） 華北電力大學， 2013.