大型風力發電機技術綜述

張書博 朱曙光 陶定新 張根現 盧 靜

（中信重工機械股份有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引言

在“雙碳”戰略實施的背景下，新能源快速發展，可再生能源逐漸成為人們關注焦點。風能成為發電能力成本較低的新選擇，并成為一種較有競爭力的清潔能源發電方式［1］。自2004年以來，大型風力發電機的投入運營累計數量顯著增加，這是因為大型風力發電機具有較高的輸出功率和較低的平準化度電成本（LCOE）。然而，在不影響大型風力發電機材料量（包括質量、體積和建造成本）的前提下，對其進行升級是非常具有挑戰性的。因此，大兆瓦、小體積的風力發電機的開發已經成為目前行業內的研究重點［2］。

在過去十年里，成功開發出各種風力電機的電氣和機械轉換系統，按照傳動機構來劃分，風力發電機可分為3種類型。一是直驅型永磁風力發電機，其傳動系統的主軸直接連接到沒有齒輪箱的低速同步永磁風力發電機上。二是齒輪箱傳動型雙饋風力發電機，其傳統系統由三級傳動齒輪箱和耦合系統組成，并連接到一個高速雙饋發電機上。三是半直驅永磁風力發電機，其傳動機構由一個一級變速齒輪箱或一個兩級變速齒輪箱連接到中速永磁的同步發電機上。

從長遠來看，風力發電機從有齒輪箱結構向無齒輪箱結構方向發展［3］。因此，一些廠家生產的大兆瓦風力發電機組（SG 8.0-167，Siemens、XE128-5MW，Darwind、Haliade-150-6MW，Alstom、V164-8.0，Vestas）采用的是直驅風力發電機系統。這種結構能提高能量產量及轉換系統的可用性和可靠性，但直驅型永磁風力發電機存在重量大、成本高等缺點。因此，引入半直驅風力發電系統來降低傳動比，可以實現高效率和輕質量，避免直驅風力發電機系統和雙饋風力發電機系統存在的缺陷［4］。

本項目主要開展對大型風力發電機技術的現狀和發展的研究。首先，分析不同傳動結構下大型風力發電機的特點，并進行比較。其次，對大型風力發電機的發展前沿進行分析。最后，結合分析給出結論。

1 不同傳動結構的風力發電機對比分析

1.1 直驅式風力發電機（低速發電機）

在直驅式風力發電機（DDWT）中，發電機直接與轉子輪轂連接在一起，因此其以低轉速運行。永磁同步發電機（PMSG）和電勵磁同步發電機（EESG）是常用的風力發電機，二者的區別如下。首先，勵磁方式不同。PMSG 采用的是永磁體勵磁方式，EESG采用的是電勵磁方式。其次，抗擾性能不同。PMSG具有較好的抗擾性能，在風速變化較大時能保持較穩定的輸出功率，而EESG 的抗擾性能較差，容易受到外界干擾，從而導致輸出功率產生波動。再次，穩態響應和動態響應不同。PMSG 的穩態響應和動態響應比EESG 要快，能更快地適應風速變化，從而提高風機發電效率。最后，二者的成本和可靠性不同。PMSG 的制造成本較高，但無需電勵磁系統，具有較高的可靠性，而EESG 的制造成本較低，但需要電勵磁系統，可靠性較低［5］。

目前，PMSG 和EESG 都被廣泛用于大型DDWT中。盡管EESG 在高功率方面不如PMSG，但EESG的低制造成本使其具有較大的競爭力。德國愛納康公司生產的Enercon E-1267.5 MW 風力發電機的EESG結構如圖1所示。

雖然EESG 的制造成本低，但PMSG 具有眾多優點，生產廠家依然傾向于設計生產PMSG，生產廠家有西門子、Adwen、GE、金風科技、浙江運達、上海電氣、東方電機等。以下對3種不同結構形式的PMSG進行分析。

1.1.1 徑向磁通電機（RFPM）。RFPM 是目前市場上常用于DDWT 的一種拓撲結構，其制造工藝十分成熟。西門子公司在產品制造時多采用RFPM結構，代表性產品有SWT 6.0-154（6 MW）、SWT 8.0-154（8 MW）。此外，GE 及金風科技公司的產品結構也為RFPM。RFPM 在可靠性和效率方面表現優異，大多數RFPM 具有內轉子。但也有研究者對2 MW風力發電機中具有外轉子的PMSG電機進行設計［6］，結構如圖2所示。

圖2 外轉子結構徑向磁通永磁電機

1.1.2 軸向磁通電機（AFPM）。AFPM 是一種新型風力發電機，采用軸向磁通結構，能在低風速時輸出高效電能。目前，學術界對AFPM 結構的小型風力發電機研究較多，對大型風力發電機的研究相對較少［7-8］。Vizireanu 等［9］對功率為2.7 MW 的AFPM 進行研究，該發電機有1 個定子和2 個PM 轉子。為最大限度減輕機器的重量，尤其是支撐結構的重量，Zhang 等［10］對海上風力發電機使用的10 MW 無鐵芯AFPM 進行研究。與RFPM 相比，在額定功率下，AFPM 的重量和軸向長度相對較小，但AFPM 存在低扭矩質量比、結構不穩定及難以維持大直徑的氣隙長度等缺點［11］。綜上所述，AFPM發電機具有高效、低噪音、輕量化等優點，適用于小型風力發電系統，而RFPM發電機具有高效、高轉矩、高起動風速等優點，適用于大型風力發電系統。2009 年，Jeumont Industry 在法國Widehem 風電場成功安裝了第一臺軸向磁通永磁電機J48/750（0.75 MW）樣機［12］，如圖3所示。由圖3可以看出，該風機沒有體積龐大的齒輪箱，風力發電機的軸向長度大大減少。

圖3 Jeumont Industry的J48/750風機

1.1.3 橫向磁通電機（TFPM）。TFPM 風力發電機是一種新型風力發電機，與傳統風力發電機不同的是，其采用的是橫向磁通結構，能在低風速產出高效的電能輸出。TFPM 具有高轉矩密度、較低的銅損、較為簡單的繞組結構等優點，適用于直驅電機系統［13］。與傳統電機結構相比，TFPM 的磁通流通路徑為三維，因此其結構更為復雜。Bang等［14］設計出一種輕型10 MW 橫向磁通永磁電機，與RFPM 相比，該發電機的質量減少60%。顏建虎等［15］提出一種新型聚磁式橫向磁通盤式永磁發電機，其定子鐵芯沿徑向有交錯的內外齒，并將永磁體嵌入轉子鐵芯中，能有效提高橫向磁通電機的空間利用率和氣隙磁密。此外，該發電機的定子鐵芯采用軟磁復合材料（SMC），能有效避免傳統硅鋼片無法三維導磁的問題。電機設計模型如圖4 所示。

圖4 聚磁式橫向磁通永磁盤式風力發電機

1.2 雙饋感應風力發電機DFIG（高速風力發電機）

DFIG 是一種常見的風力發電機，也被稱為雙饋異步發電機，由轉子、定子、變頻器、電容器等組成。與傳統感應發電機相比，DFIG 能在相對較高的滑差下工作。定子可直接連接到電網，而轉子通過部分比例轉換器連接到電網［16］。DFIG 的轉換效率較高，其將風能轉換為電能的效率在90%以上。此外，DFIG 的穩定性較好，可通過變頻器來控制輸出電能的頻率和電壓，從而保證電網的穩定性，減少對電網的影響。

2023年3月，三一重能公布一款9 MW 的雙饋海上風力發電機，實現了超大型雙饋風力發電機在海上應用的技術突破。此前，雙饋風力發電機通常不在超大型風力發電機（超過8 MW）中應用［17］。盡管如此，因DFIG 使用齒輪箱和復雜的控制策略，與直接驅動同步發電機相比，DFIG的工作效率較低。

1.3 半直驅風力發電機（中速發電機）

半直驅風力發電機是一種新型風力發電機，通過風輪運動來帶動轉子，并直接傳遞給發電機。同時，通過減速器將旋轉速度降低到合適的范圍。在結構上，半直驅風力發電機具有雙饋風力發電機和直驅風力發電機的特點，其將永磁電機與具有減少級數的齒輪箱耦合，能避開齒輪傳動系統和無齒輪傳動系統的缺點［18］。因此，與傳統發電機相比，半直驅風力發電機具有更高的效率和更輕的質量，從而被廣泛應用于海上大型風力發電機中。

與直接驅動永磁風力渦輪機相比，大型半直驅動永磁風力發電機的速度和功率密度得到顯著提高，其設計參數的選擇，尤其是磁極結構、極數和極槽配合的選擇，與直驅風力發電機不同。歐金生等［19］以一臺3.2 MW 的半直驅永磁風力發電機為例，對主要尺寸、極數、極槽配合、磁極結構及氣隙值等具體數值進行計算。

2022 年12 月，全球最大的半直驅永磁風力發電機（19 MW）順利完成總裝及并網調試，我國風力發電技術實現重大突破。永磁半直驅風力發電機具有價格適中、體積小、重量輕及可靠性高等優勢，發展該種風機已經成為國內風力發電機行業目前重要的發展方向［20］。

2 大型風力發電機技術發展方向

2.1 鐵氧體風力發電機設計

PMSG 所需的PM 量與風力發電機的體積大小成正比、與機器速度成反比［21］。大型發電機的設計，PMSG 比EESG 更具優勢，但PMSG 所用到的材料為磁鋼，其價格波動較大，非常不穩定。中國是全球最大的稀土元素生產國，也是儲量最豐富的國家之一。由中國地質調查局發布的數據可知，中國稀土儲量占全球總儲量的38%，主要分布在內蒙古、四川、廣東、云南等地。中國稀土元素的儲量和產量在全球稀土市場中占據重要地位，在全球稀土市場供需格局中有著舉足輕重的地位［22］。

雖然中國的稀土元素儲量較大，但從整個電機行業技術發展方向來看，研發出無稀土發電機的設計方案勢在必行，尤其是大型風力發電機組。Bhuiyan等［23］基于DDWT結構，僅用鐵氧體磁體就設計出6 MW 的PMSG，通過對1 臺安裝有釹鐵硼（NdFeB）的稀土發電機和1 臺安裝有鐵氧體磁體的發電機進行試驗對比（二者有相同定子）。試驗結果表明，雖然鐵氧體磁體的發電機更重，但這2 臺電機的發電量基本相同，損耗略有差異。因此，如果稀土價格持續上漲，鐵氧體永磁同步發電機將會有更大的發展空間。此外，Halbach 陣列可用于集中磁通，這是因為一個磁極的磁通是由2 個磁體產生的，對拓撲結構進行優化為鐵氧體發電機的設計提供新思路［24］。

2.2 高溫超導風力發電機（HTSG）

隨著高溫超導技術的發展，高溫超導發電機有著較快發展。相較于傳統發電機，HTSG具有更高的能量密度、更輕的質量和更小的體積等優勢，可用于風力、水力、光伏等新能源發電系統中，能提高發電系統的效率和可靠性。HTSG 的核心部件是高溫超導線圈，其具有非常高的電流密度和磁場強度，可在較小的體積內產生更強磁場，從而提高發電機的輸出功率。此外，HTSG還具有低噪音、低振動、無需維護等優點。雖然HTSG 還存在成本高、制造難度大等問題，但其在新能源發電領域中的應用前景仍然十分廣闊［25］。

鄧廣宇［26］對10 MW 高溫超導風力發電機進行研究，并給出詳細的設計方案，相較于傳統風機，超導風機會產生更嚴重的故障電流及故障轉矩，同時，勵磁線圈會面臨失超的風險。采用電流源勵磁、鐵心定子磁路結構及在合理范圍內降低氣隙磁密、減少線圈匝數等方式，能有效抑制故障電流和故障轉矩。2018 年，第一臺高溫超導風力發電機在丹麥沿海地區成功安裝，此成果代表著風力發電機高溫超導技術的應用實現突破，可替代當今昂貴的重型永磁直驅發電機［27］。此外，隨著高溫超導材料技術的發展，以釔鋇銅氧化合物為代表的第二代高溫超導材料由于具有高臨界磁場、高臨界溫度、高電流密度等本征物理優勢，因而對促進超導電機的進一步發展具有重要意義［28］。

3 結論

在過去的幾年，大型風力發電機技術實現了巨大突破。本研究通過對大型風力發電機中使用的不同發電機系統開展研究，對直驅風力發電機、雙饋風力發電機及半直驅風力發電機的研究現狀及應用進行了總結。在此基礎上，展望風力發電機的發展趨勢，包括鐵氧體永磁風力發電機及高溫超導風力發電機的發展。主要得到以下2個結論。

①直驅風力發電機技術可靠、故障率低，但因成本過大，不適合國內市場。雙饋風力發電機盡管在超大型風力發電機的應用上有了一定進展，但能否適應海上風電的發展還有待進一步觀察。目前，國內市場上可用于海上風力發電的技術路線仍以永磁半直驅為主。

②大型風力發電機的發展方向較多，鐵氧體電機、高溫超導電機等前沿技術的研發，將進一步促進大型風力發電機的發展。