大型永磁同步發(fā)電機在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用

趙 祥 張新麗 張世福

（1.新疆金風(fēng)科技股份有限公司，烏魯木齊 830026；2.北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司，北京 100176）

1 國內(nèi)外大型永磁風(fēng)力發(fā)電機的應(yīng)用

永磁同步發(fā)電機是用永磁體來代替普通同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)，為發(fā)電機提供勵磁的一種發(fā)電機。由于永磁發(fā)電機自身無法調(diào)節(jié)勵磁，發(fā)電機端口電壓將隨著轉(zhuǎn)速而變化，因而早期永磁發(fā)電機往往與小功率的變流裝置配套應(yīng)用于小型風(fēng)力發(fā)電機上，但隨著永磁技術(shù)及大功率變流技術(shù)的提高，風(fēng)電新技術(shù)方案的出現(xiàn)，永磁發(fā)電機逐漸在大型風(fēng)力發(fā)電上得到了廣泛的應(yīng)用，并將成為未來風(fēng)力發(fā)電機的一種趨勢。

2000年瑞典ABB公司研制成功了3MW-5MW的巨型可變速風(fēng)力發(fā)電機組，其中發(fā)電機采用了低速多極的永磁式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的高壓風(fēng)力發(fā)電機Windformer，由于Windformer為風(fēng)輪直接驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)簡單，可直接并網(wǎng)使用，具有容量大、效率高、運行可靠及環(huán)保效果好等特點[1]。

2003年日本三菱重工完全自行制造的MWT-S2000型風(fēng)力發(fā)電機組上采用了2MW永磁同步電機，在Okinawa電力公司開始運行，是當(dāng)時商業(yè)化應(yīng)用的最大永磁風(fēng)力發(fā)電機[2-3]。

2005年德國 Multibrid安裝了第一臺 5MW 風(fēng)機，M5000風(fēng)機由德國工程咨詢公司aerodyn設(shè)計，采用了單級齒輪箱和水冷式中速永磁同步發(fā)電機相結(jié)合的混合傳動技術(shù)[2]，相比傳統(tǒng)三級齒輪箱的雙饋技術(shù)方案，大大簡化了傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了電能品質(zhì)，而相比直驅(qū)技術(shù)中采用的低速電機，中速電機的尺寸和重量也大為減小，從而為生產(chǎn)、運輸和吊裝帶來了一系列的優(yōu)勢。

采用永磁電機的其他國外風(fēng)機廠商也為數(shù)眾多，如基于Multibrid授權(quán)，WinWind 的WWD1和WWD3 機型、Multibrid的5MW機型；采用帶三級齒輪箱的GE公司2.5XL系列的永磁風(fēng)力發(fā)電機；Vensys的1.5MW及2.5MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機、Scanwind的3MW和3.5MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機等。

圖1 Multibrid公司5MW半直驅(qū)永磁發(fā)電機

圖2 Vestas公司3MW機組配套永磁發(fā)電機

圖3 Scanwind機組配套的永磁發(fā)電機

國內(nèi)目前能夠批量化生產(chǎn)永磁風(fēng)力發(fā)電機僅有金風(fēng)科技和湘電風(fēng)能公司兩家風(fēng)電整機廠商。

Siemens機組的陸上風(fēng)電采用異步發(fā)電機+全功率變流，而海上風(fēng)電發(fā)電則采用直驅(qū)永磁和全功率變流的技術(shù)路線。Vestas 即將推出高速齒輪箱、永磁風(fēng)力發(fā)電機和全功率變流的3MW機組，未來的6MW機組公司官方宣稱為直驅(qū)機組。GE 2.5XL系列機組為高速齒輪箱、永磁風(fēng)力發(fā)電機和全功率變流機組，最近GE公司收購了Scanwind 公司，其擁有3MW、3.5MW直驅(qū)永磁機組。GE公司計劃利用1.5MW機組成熟的開發(fā)和運行經(jīng)驗，把3MW直驅(qū)機組打造成為海上風(fēng)電的主力機型。Gamesa公司則推出了中速齒輪箱、永磁風(fēng)力發(fā)電機和全功率變流的4.5MW機組。從以上幾個國際主要風(fēng)力發(fā)電機廠商的最新技術(shù)路線來看，其共同的技術(shù)趨勢是永磁風(fēng)力發(fā)電機和全功率變流技術(shù)，將成為海上風(fēng)力發(fā)電機組的技術(shù)發(fā)展趨勢。

2 不同類型風(fēng)力發(fā)電機的技術(shù)對比

目前風(fēng)電市場中，以三級齒輪箱加雙饋異步發(fā)電機為技術(shù)方案的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機應(yīng)用最為廣泛。但隨著大功率器件的發(fā)展，大功率變流器的成本及技術(shù)瓶頸已逐漸打破，低速同步發(fā)電機配全功率整流器的直驅(qū)式結(jié)構(gòu)成為了風(fēng)力發(fā)電的另一個重要發(fā)展方向。永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、免維護等優(yōu)點，尤其在船舶、風(fēng)機等這種對電機穩(wěn)定性要求高且維修不易的環(huán)境中具有應(yīng)用優(yōu)勢，因而低速永磁電機往往是直驅(qū)式結(jié)構(gòu)風(fēng)機用發(fā)電機的首選方案。

隨著風(fēng)力發(fā)電機不斷大功率化，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱的機械故障率較高，穩(wěn)定性及電能品質(zhì)較差，同時直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組中的低速同步電機尺寸偏大也增加了設(shè)計及運行難度，因而將上述兩種方案相結(jié)合的第三種技術(shù)路線即齒輪箱加中高速同步電機的混合傳動結(jié)構(gòu)風(fēng)機（基于Multibrid技術(shù)）異軍突起，而采用永磁同步發(fā)電機作為中高速等級的同步電機也是最優(yōu)的選擇。

除了上述三種最具代表的技術(shù)路線外，其他一些技術(shù)路線不再在此贅述，下面僅對風(fēng)力發(fā)電上最多采用這三種方式進行分析。

（1）變速恒頻雙饋式風(fēng)力發(fā)電機

如圖4（a）所示，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機組主要由風(fēng)機葉輪、三級齒輪箱、雙饋異步發(fā)電機、雙向PWM變流器等部件組成。雙饋機的定子與電網(wǎng)直接連接，而轉(zhuǎn)子通過滑環(huán)與變頻器連接到電網(wǎng)中，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流，可實現(xiàn)對發(fā)電機無功功率和有功功率的調(diào)節(jié)。由于該發(fā)電機定轉(zhuǎn)子都有外接電源并與之實現(xiàn)能量交換，因而稱為雙饋發(fā)電機[4]。

雙饋式異步發(fā)電機具有技術(shù)成熟、風(fēng)機廠商進入的門檻低、制造成本低、非全功率變流器容量小等優(yōu)點，但是同時也具有運行范圍較窄、轉(zhuǎn)子滑環(huán)部分容易磨損、齒輪箱機械部件故障率高維護量大、對電力品質(zhì)相對較差等不足[5]。這種齒輪箱加常規(guī)電機的傳統(tǒng)技術(shù)路線，將有可能在即將到來的新一輪風(fēng)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)革新中被新的技術(shù)方案所取代[2]。

（2）直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組包括風(fēng)機葉輪、多極低速同步發(fā)電機、全功率變流器等。風(fēng)機的控制系統(tǒng)主要靠變流器對發(fā)電機輸出電流進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。由于此類發(fā)電機組中風(fēng)力機與發(fā)電機直接連接，而不使用齒輪箱即“直接驅(qū)動”的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，因而被稱為直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機[6]。

與雙饋式風(fēng)機不同，此風(fēng)機系統(tǒng)的輸出功率通過全功率變流器輸送到電網(wǎng)中而與電網(wǎng)徹底隔開，電能品質(zhì)優(yōu)越；同時直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組省去了故障率高的齒輪箱，傳動系統(tǒng)簡單，可靠性增加，維護性好；由于低負(fù)荷下能發(fā)出更多的電能，又使其具有較高的效率[2]。

圖4 三種風(fēng)力發(fā)電機機組結(jié)構(gòu)示意圖

（3）混合傳動風(fēng)力發(fā)電機

混合傳動風(fēng)力發(fā)電機包括風(fēng)機葉輪、齒輪箱、中高速發(fā)電機及全功率變流裝置。風(fēng)機葉輪轉(zhuǎn)速經(jīng)齒輪箱后被升高至 100～2000r/min的中高速等級，再與中高速等級發(fā)電機相連，發(fā)電機發(fā)出的功率通過全功率變流器后并網(wǎng)運行。

相比三級齒輪箱的雙饋方案，此種技術(shù)方案可將傳動系統(tǒng)簡化，可靠性高，電能品質(zhì)優(yōu)越；相比帶低速發(fā)電機的直驅(qū)方案，其發(fā)電機轉(zhuǎn)速高，尺寸重量大幅降低，制造難度降低，運行穩(wěn)定性也有所提高。

在這種方案下，理論上可選用永磁同步發(fā)電機、電勵磁同步發(fā)電機作為發(fā)電設(shè)備，但由于永磁電機具備前述的優(yōu)越性，目前采用這種技術(shù)路線的Multibrid和Winwind兩家公司都無一例外選用了永磁發(fā)電機。

（4）對比關(guān)系

根據(jù)上述分析，對各種性能指標(biāo)進行總結(jié)，并列在表1中。

表1 三種技術(shù)路線的指標(biāo)對比

可以看出，雙饋機組雖然技術(shù)門檻低，價格便宜，但在電能品質(zhì)、維護性和穩(wěn)定性都不及其他兩種方案；制約直驅(qū)機組的主要方面是發(fā)電機尺寸重量過大，也帶來了機艙與塔架的設(shè)計與制造難度，并隨著功率的增大難度加?。欢旌蟼鲃与m然在維護性和經(jīng)濟性居中，但其中速電機尺寸相對較小，機艙內(nèi)部更加緊湊，相應(yīng)零部件設(shè)計制造簡單，在未來更大功率風(fēng)機應(yīng)用上將具有顯著優(yōu)勢。

3 大型永磁風(fēng)力發(fā)電機的技術(shù)難點

（1）電機設(shè)計難點

永磁體是永磁電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機勵磁系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，同時它也是磁路的組成部分之一。由于不同型號永磁體的內(nèi)在磁性能差異較大、磁路結(jié)構(gòu)形式多樣、漏磁路復(fù)雜且漏磁比例較大、同時還要考慮故障下的過流沖擊及正常運行時工作溫度帶來的永磁退磁問題等，都使永磁發(fā)電機的電磁設(shè)計變得異常復(fù)雜。而永磁體材料中含有大量的稀有金屬，如果永磁材料用得過多會造成成本的增加，過少又達(dá)不到使用要求，因而兼顧經(jīng)濟性與穩(wěn)定性也是方案設(shè)計的重要考核目標(biāo)之一[7-8]。

除了合理的磁路設(shè)計，還要考慮如何確切地計算出風(fēng)力發(fā)電機的起動阻力矩并采取措施予以降低，如果起動阻力矩小，發(fā)電機在較低風(fēng)速時便能起動發(fā)電，就可以更加有效地利用資源，提高發(fā)電性能。

在開發(fā)永磁風(fēng)力發(fā)電機時，電機的溫升也是電機設(shè)計的主要關(guān)鍵點。由于永磁電機運行在風(fēng)機上，空間狹小，散熱性能較差，如果電機散熱設(shè)計不合理，工作溫升過高會導(dǎo)致永磁體退磁，帶來電機出力不夠、效率下降等一系列問題，因而如何利用有限空間，同時兼顧經(jīng)濟性及運行效率，設(shè)計出合理的散熱系統(tǒng)是一個重點與難點問題。

此外，風(fēng)機往往運行在戈壁、鹽海、灘涂及海上等環(huán)境惡劣的地方，尤其對于大功率機組，安裝在海上將是未來的一個必然趨勢，因而如何對電機進行防護將是設(shè)計成敗的關(guān)鍵因素。如果永磁體不能很好地防護，表面腐蝕后會導(dǎo)致電機性能下降，而鹽霧、風(fēng)沙以及雨水的侵襲，也會造成電機絕緣性能的下降，嚴(yán)重時將會導(dǎo)致?lián)舸┦鹿实陌l(fā)生。

（2）電機工藝難點

目前大功率電機均采用先將永磁體充磁后，再安裝到轉(zhuǎn)子上，這就帶來了永磁體的安裝問題。磁極由多個永磁體組成，永磁體由專門的磁材廠家制作并充磁，目前風(fēng)電用永磁體多為燒結(jié)工藝制作，永磁體機械強度小且易碎，同時永磁體的強磁性又使其很容易吸附在鐵心、轉(zhuǎn)軸等地方，增加了安裝難度。尤其對于內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，一旦安裝中發(fā)生永磁體破碎，碎塊殘留在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，很難清理，因而必須設(shè)計可行的導(dǎo)入工裝來保證安裝成功。而對于面貼式結(jié)構(gòu)，還要考慮如何固定永磁體，目前較多的處理方式是將永磁體用特殊的粘接劑粘在磁軛表面，防止轉(zhuǎn)子運行時，永磁體脫落或在磁軛表面移動。

永磁體安裝完畢后，下一個面對的難題就是定轉(zhuǎn)子的套裝。與傳統(tǒng)套裝不同，安裝了永磁體的轉(zhuǎn)子整體吸附力極強，定、轉(zhuǎn)子之間氣隙較小，在總裝時容易造成定、轉(zhuǎn)子之間因吸力大而發(fā)生碰撞,一旦定、轉(zhuǎn)子吸附在一起將難以分開，甚至報廢，且易造成人身傷害。因而傳統(tǒng)的立裝或臥裝工藝已無法滿足要求，因此必須制作精確的導(dǎo)入及定位工裝，在保證定、轉(zhuǎn)子絕對同心的條件下再行總裝是套裝工藝的關(guān)鍵[9]。

另外，在制造過程中，還必須做好清潔防護工作，防止鐵屑、雜物掉入，工序安排也要合理，永磁體安裝后，盡量避免再進行焊接、打磨等容易產(chǎn)生鐵屑的工序。同時在永磁體運輸過程中及發(fā)電機安裝完成后，要做好防護工作。

4 永磁風(fēng)力發(fā)電機在金風(fēng)機組上的應(yīng)用

（1）直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機

金風(fēng)科技在引進Vensys技術(shù)后，經(jīng)過二次研發(fā)，目前已形成 1.5MW 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的批量化生產(chǎn)。1.5MW采用永磁發(fā)電機，相比直驅(qū)電勵磁風(fēng)力發(fā)電機在尺寸和重量上相對較小，結(jié)構(gòu)簡單；永磁體面貼在轉(zhuǎn)子表面，便于安裝，也利于永磁體表面散熱；采用了外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、自然空冷的獨特通風(fēng)設(shè)計，大大提高了散熱效果，也省去了冷卻設(shè)備，使整機具有較高的效率。

圖5 金風(fēng)1.5MW風(fēng)機安裝

隨著 1.5MW 兆瓦機組的運行穩(wěn)定性逐步提高，機組的高使用效率和低故障率為業(yè)主所滿意，可以說，永磁直趨技術(shù)路線的可行性得到了驗證。但由于目前國內(nèi)風(fēng)電場招標(biāo)還是以單機價格為主要指標(biāo)，直驅(qū)型機組優(yōu)勢沒有得到充分體現(xiàn)，隨著時間推移，永磁直驅(qū)風(fēng)機的高效、低維護和高的可利用率的優(yōu)良特性將逐漸顯現(xiàn)，同時隨著風(fēng)電場電網(wǎng)接入標(biāo)準(zhǔn)的制定，直驅(qū)型機組將體現(xiàn)出更大的綜合性價比優(yōu)勢。

金風(fēng)2.5MW發(fā)電機同樣采用了和1.5MW相類似的外轉(zhuǎn)子永磁同步電機的結(jié)構(gòu)，但進一步的提高了整個發(fā)電機的防護等級，使得發(fā)電機具有很好的防塵、防水等抵抗惡劣環(huán)境的功能；此外，由于通風(fēng)系統(tǒng)采用內(nèi)部強制風(fēng)冷的方式，冷空氣從外界進入氣隙通過徑向風(fēng)道直接將線圈上的熱量帶走，因此緊湊式結(jié)構(gòu)及良好散熱系統(tǒng)使2.5MW發(fā)電機的體積并沒有因為容量的增大而比1.5MW的體積有明顯的增加；2.5MW 發(fā)電機采用單軸承結(jié)構(gòu)，這樣進一步簡化了機組的傳動鏈，從而使機組的結(jié)構(gòu)更為緊湊、簡單。2.5MW 發(fā)電機克服了大型直驅(qū)風(fēng)機的主要缺點并具備了適應(yīng)環(huán)境能力強、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，預(yù)計會成為金風(fēng)公司未來幾年的主要機型。研制的2.5MW 直驅(qū)發(fā)電機完成了全功率試驗測試。目前，2.5MW機組運行穩(wěn)定，達(dá)到了全功率運行。

圖6 金風(fēng)2.5MW永磁發(fā)電機全功率試驗

（2）混合傳動永磁風(fēng)力發(fā)電機

鑒于混合傳動技術(shù)路線結(jié)合了傳統(tǒng)的高速齒輪傳動方案及現(xiàn)代直驅(qū)技術(shù)的優(yōu)勢，更適合在大功率風(fēng)力發(fā)電上采用，金風(fēng)科技從2006年起，就開始了3MW半直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)電機組研制工作。其中，發(fā)電機采用了中速永磁發(fā)電機，可在不同風(fēng)區(qū)內(nèi)實現(xiàn)160～400r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行。轉(zhuǎn)子為永磁體插入式結(jié)構(gòu)，使極限工況下永磁體抗退磁能力大為增強；采用傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，更適合電機在較高轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)；高防護等級及特殊的絕緣防護設(shè)計，更加適合未來海上機組的運行。

目前，3MW半直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)電機組已成功實現(xiàn)并網(wǎng)運行，并順利達(dá)到了全功率運行。

圖7 金風(fēng)3MW永磁發(fā)電機

發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速下，實際測量磁體在 25.3 ℃(繞組的平均溫度)下的空載電動勢基波有效值為431.1 V，折算到磁體80℃的基波有效值為 401.5 V(Br的溫度系數(shù)為 0.12%)，有限元仿真計算在磁體為80℃的基波有效值為396.94 V，上偏差為1%。

從試驗數(shù)據(jù)和有限元計算結(jié)果對比可知，發(fā)電機的整體電磁設(shè)計方案合理，達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)。

圖8 試驗和有限元計算的空載反動勢波形對比

5 結(jié)論

永磁發(fā)電機以自身的優(yōu)越性，越來越廣泛地應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組中。國內(nèi)外許多風(fēng)機廠商雖然在雙饋技術(shù)路線上有成熟的品牌機型，如GE、東汽等，但近年來都在致力于采用永磁發(fā)電機風(fēng)機機型的研發(fā)制造。

同時我們也看到永磁發(fā)電機目前在結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝制造等方面仍存在很大的改進空間，相信隨著永磁電機研發(fā)技術(shù)的提高與成本的降低、機組可靠性與可維護性要求的加大以及電力系統(tǒng)對供電品質(zhì)的要求更加嚴(yán)格，采用永磁發(fā)電機加全功率變流的技術(shù)方案將成為海上風(fēng)力發(fā)電機組的技術(shù)發(fā)展趨勢。

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