永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用及其發(fā)展趨向

王鳳翔

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110870）

1 引言

風(fēng)能作為一種清潔和可再生能源獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，風(fēng)力發(fā)電更是成為近年來(lái)獲得迅速發(fā)展的能源應(yīng)用領(lǐng)域。風(fēng)力發(fā)電有兩個(gè)突出的特點(diǎn)：一是風(fēng)能密度不夠大，要獲得大功率的風(fēng)能需要采用直徑很大的風(fēng)力機(jī)，對(duì)于MW級(jí)的風(fēng)力機(jī)，槳葉直徑需要數(shù)十米甚至上百米，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，只有10～20r/min；二是風(fēng)速和風(fēng)向的多變和不穩(wěn)定性，為了獲得電壓和頻率穩(wěn)定的電能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要采用變速恒頻控制技術(shù)[1]。

在輸出功率相同的條件下，電機(jī)的體積近似與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成反比，為了減小發(fā)電機(jī)的體積以降低電機(jī)的成本，可通過(guò)多級(jí)增速機(jī)構(gòu)將風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速增至1 000～2 000r/min，然后驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。采用高速發(fā)電機(jī)雖然電機(jī)成本降低了，然而所增加的齒輪箱由于機(jī)械磨損和潤(rùn)滑需要定期維護(hù)，成為風(fēng)電系統(tǒng)的故障多發(fā)部位[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)1997～2005年期間瑞典風(fēng)電場(chǎng)中，齒輪箱和發(fā)電機(jī)的故障率分別為風(fēng)電系統(tǒng)總故障的 19.4%和 8.9%，而 1996～2004年期間芬蘭風(fēng)電場(chǎng)中齒輪箱和發(fā)電機(jī)的故障率分別占風(fēng)電系統(tǒng)故障率的 32%和 4%，齒輪箱是整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)中故障率最高的部件[3,4]。為了提高風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性和降低運(yùn)行成本，近年來(lái)開始推行取消增速箱采用低速風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，雖然發(fā)電機(jī)的體積和成本增加，但系統(tǒng)效率和發(fā)電量增加而運(yùn)行成本降低。隨著單機(jī)功率的增加，低速直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的體積和重量越來(lái)越大，3MW以上的直驅(qū)發(fā)電機(jī)的外徑超過(guò)5m，受鐵路和公路的限制，難以在陸地上整體運(yùn)輸，因此又出現(xiàn)了中速（又稱為半直驅(qū)）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，即采用1～2級(jí)齒輪箱將風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速增至250～500r/min，這是在高速和低速風(fēng)力發(fā)電機(jī)之間的一種折中方案，一方面可減小發(fā)電機(jī)的體積和降低制造成本，另一方面可降低對(duì)增速機(jī)構(gòu)的要求，在一定程度上減小了齒輪箱的故障率[5]。

針對(duì)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化實(shí)現(xiàn)變速恒頻的發(fā)電技術(shù)，通常有兩種途徑：①采用繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的雙饋運(yùn)行方式，針對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，適時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組電流的頻率、幅值、相位和相序，實(shí)現(xiàn)定子繞組輸出電壓的恒頻恒壓控制；②在變速運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出端，采用電力電子功率變換器，將頻率和幅值變化的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率和幅值恒定的交流電能。在后一種變速恒頻系統(tǒng)中，雖然可以采用各種類型的交流發(fā)電機(jī)，如電勵(lì)磁的凸極和隱極同步發(fā)電機(jī)，感應(yīng)發(fā)電機(jī)和磁阻發(fā)電機(jī)等，但這些電機(jī)在功率密度和電機(jī)效率上都無(wú)法與永磁電機(jī)相比擬。例如，傳統(tǒng)電勵(lì)磁的同步發(fā)電機(jī)與永磁發(fā)電機(jī)相比，不僅勵(lì)磁繞組需要增加電機(jī)的體積和重量，而且由于勵(lì)磁繞組的功率損耗，電機(jī)的效率要損失2～4個(gè)百分點(diǎn)。因此，永磁發(fā)電機(jī)無(wú)疑是采用電力電子功率變換器變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最佳選擇[2]。

綜上所述，從電機(jī)轉(zhuǎn)速看，可分為高速、中速和低速三種結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，而從變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型來(lái)看，主要有交流勵(lì)磁的雙饋感應(yīng)電機(jī)和不需要?jiǎng)?lì)磁的永磁電機(jī)兩種。由于雙饋電機(jī)也是一種電勵(lì)磁電機(jī)，勵(lì)磁功率隨著極數(shù)的增加而增大，不適合于多極低速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。綜合電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)類型來(lái)看，目前在MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中獲得實(shí)際應(yīng)用的主要有以下四種：①高速雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）；②高速永磁發(fā)電機(jī)（HSPM）；③中速半直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)（MSPM）；④低速直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)（DDPM）[1,6]。

本文將首先針對(duì)上述四種不同結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)與性能進(jìn)行對(duì)比分析，然后闡述永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，最后討論永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨向。

2 不同結(jié)構(gòu)風(fēng)電系統(tǒng)的特點(diǎn)與性能對(duì)比

2.1 不同結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)

四種不同結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。除了低速直驅(qū)以外，高速和中速風(fēng)電系統(tǒng)皆需要增速齒輪箱，而采用永磁發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)皆需要全功率的功率變換器。從發(fā)電機(jī)來(lái)看，不同的風(fēng)電系統(tǒng)有其自身的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

圖1 不同結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of different structure wind power generation systems

2.1.1 DFIG系統(tǒng)

由于雙饋電機(jī)定子繞組電壓的頻率受電網(wǎng)頻率制約，電機(jī)的變速運(yùn)行范圍有限，因而當(dāng)額定轉(zhuǎn)速確定之后雙饋電機(jī)的極數(shù)隨之確定。例如，對(duì)于一臺(tái)額定轉(zhuǎn)速為1 750r/min的DFIG電機(jī)，運(yùn)行速度范圍1 000～2 000r/min，需采用采用4極電機(jī)，當(dāng)電網(wǎng)頻率為 50Hz時(shí)發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為 1 500r/min。由于轉(zhuǎn)子繞組變流器的功率僅為轉(zhuǎn)差功率，與永磁發(fā)電機(jī)所需全功率的變流器相比，所需功率較小，成本較低。

由于額定轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于同步轉(zhuǎn)速，在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的電流頻率較高，轉(zhuǎn)子銅耗和鐵耗比一般感應(yīng)電機(jī)大得多。此外，變流器供電系統(tǒng)的諧波電流也會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子附加損耗，因此在DFIG電機(jī)設(shè)計(jì)中需要充分考慮轉(zhuǎn)子的散熱問(wèn)題。

2.1.2 HSPM系統(tǒng)

在高速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，用永磁電機(jī)取代雙饋電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為：①取消了轉(zhuǎn)子的集電環(huán)和電刷，提高了電機(jī)的運(yùn)行可靠性；②減小了轉(zhuǎn)子的銅耗和鐵耗，提高了電機(jī)的效率；③減小了電機(jī)的體積和重量，提高了電機(jī)的功率密度。以ABB公司1.5MW高速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，與同功率的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，電機(jī)尺寸可由 3 150mm×1 600mm×1 850mm 減小至2 500mm×1 700mm×1 800mm，重量由 6t降至5t。

由于采用全功率變流器，發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率不受電機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，為永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了較大的靈活性。例如對(duì)于額定轉(zhuǎn)速1 500r/min的永磁發(fā)電機(jī)，極數(shù)不一定選4極，從提高功率密度和降低電機(jī)成本來(lái)看，采用6極或8極更為有利。圖 2為在相同運(yùn)行條件下不同極數(shù) 1.5MW永磁發(fā)電機(jī)主要材料用量的對(duì)比?？梢钥闯?，8極比 4極電機(jī)主要材料凈重減小30%。雖然8極電機(jī)的頻率為4極電機(jī)的2倍，單位重量鐵耗會(huì)增大，但由于8極電機(jī)軛部厚度比4極減小一半，故電機(jī)的總鐵耗并未增加，8極電機(jī)的效率甚至高于4極電機(jī)。

圖2 不同極數(shù)高速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子主要材料用量對(duì)比Fig.2 Material consumption comparison of high speed PM wind generator with different poles

考慮到永磁體可以承受較大的壓應(yīng)力而承受拉應(yīng)力的能力很低，HSPM系統(tǒng)中的永磁轉(zhuǎn)子一般采用埋入式結(jié)構(gòu)，將永磁體插入轉(zhuǎn)子鐵心的槽中，使永磁體在高速旋轉(zhuǎn)中承受壓應(yīng)力。

2.1.3 MSPM系統(tǒng)

中速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是高速和低速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一種折中方案。相對(duì)來(lái)說(shuō)，中速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)比較靈活，比較困難的是發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和運(yùn)行速度范圍的選取，即增速機(jī)構(gòu)和速比的選取。需要綜合考慮風(fēng)力機(jī)、變速箱和發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈的參數(shù)匹配，變速箱的性能和運(yùn)行可靠性以及發(fā)電機(jī)的性能價(jià)格比等多方面因素，確定增速箱的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)速比[7]。

MSPM系統(tǒng)一般采用一級(jí)或兩級(jí)增速機(jī)構(gòu)。如東方電氣與芬蘭Switch公司聯(lián)合開發(fā)的1.65MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 150r/min，采用一級(jí)變速，當(dāng)風(fēng)力機(jī)額定轉(zhuǎn)速為 17r/min時(shí)，變速箱速比為8.82。德國(guó)Multibird公司5MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的速度范圍為58.6～146.9r/min，采用速比為9.92的一級(jí)行星增速箱。沈陽(yáng)華創(chuàng)風(fēng)能有限公司3.6MW和5.0MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速分別為350r/min和575r/min，皆采用二級(jí)變速機(jī)構(gòu)[8]。

2.1.4 DDPM系統(tǒng)

兆瓦級(jí)直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速低、直徑大、極數(shù)多、頻率低和繞組匝數(shù)多，由此決定了與高速和中速永磁電機(jī)不同的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。由于低速永磁電機(jī)體積大、用料多，特別是永磁材料價(jià)格昂貴，其用量直接關(guān)系到電機(jī)的成本，因此，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高電機(jī)的性能價(jià)格比，就顯得尤為重要[9,10]。

DDPM系統(tǒng)的永磁發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)，需要重點(diǎn)考慮以下幾方面的問(wèn)題：

（1）電機(jī)結(jié)構(gòu)的選?。河来烹姍C(jī)有多種結(jié)構(gòu)形式，從磁路的路徑可分為徑向磁通、軸向磁通和橫向磁通結(jié)構(gòu)等，每種磁通結(jié)構(gòu)又可分為多種定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[11-13]。不同結(jié)構(gòu)形式對(duì)于電機(jī)的性能和制造成本有著重要的影響。目前DDPM系統(tǒng)采用最多的是具有傳統(tǒng)徑向磁通結(jié)構(gòu)的內(nèi)轉(zhuǎn)子或外轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機(jī)。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子表面的圓周速度較低，永磁體可采用面貼式結(jié)構(gòu)，即將永磁體直接黏貼在轉(zhuǎn)子鐵心表面并加以固定。

（2）電機(jī)極數(shù)和槽數(shù)的選?。河捎诘退僦彬?qū)永磁電機(jī)的定子直徑較大，而發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率不受電機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，為永磁發(fā)電機(jī)極數(shù)和槽數(shù)的選取提供了更大的靈活性。增加極數(shù)可以減小定轉(zhuǎn)子鐵心軛部的截面積，同時(shí)可縮短定子繞組端部的長(zhǎng)度，有利于減小電機(jī)的體積和損耗，因此DDPM一般采用多極多槽結(jié)構(gòu)。

在選取電機(jī)極數(shù)和槽數(shù)時(shí)，要考慮多方面的影響因素，特別是極數(shù)和槽數(shù)的配合問(wèn)題，一般采用每極每相分?jǐn)?shù)槽繞組，同時(shí)適當(dāng)選取永磁體的極弧寬度，以最大限度減小齒槽脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩[14]。

（3）電磁負(fù)荷的選?。旱退僦彬?qū)永磁發(fā)電機(jī)定子鐵心中的磁通變化頻率很低和鐵耗很小，可適當(dāng)增加鐵心中的磁通密度，但不宜通過(guò)增加永磁體用量來(lái)提高磁負(fù)荷。此外，由于定子繞組匝數(shù)較多，定子繞組銅耗占電機(jī)總損耗的絕大部分，從提高電機(jī)效率考慮，需要適當(dāng)控制定子繞組的電流密度，不可選取過(guò)高。

（4）冷卻方式的選?。焊咚儆来棚L(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于體積小熱負(fù)荷大，一般需要水冷方式。低速直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于體積大有較大的散熱面積，一般采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式就可以達(dá)到散熱要求。特別是可以在定子機(jī)殼外表面加散熱筋，充分利用穿過(guò)風(fēng)力機(jī)的強(qiáng)大氣流進(jìn)行自然風(fēng)冷，如圖3所示[15,16]。

圖3 利用通過(guò)發(fā)電機(jī)定子外表面的氣流進(jìn)行自然風(fēng)冷Fig.3 Natural cooling by use of air passing through the stator outer surface

2.2 不同結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能對(duì)比

下面對(duì)于不同結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)行性能的對(duì)比。

2.2.1 運(yùn)行效率

以額定功率2MW的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，在相同運(yùn)行條件下，不同結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率（包括增速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率）計(jì)算值如圖 4所示[17]。顯然，低速直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率最高，而雙饋發(fā)電機(jī)的效率最低，特別是在低于60%額定風(fēng)速時(shí)，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)更為明顯，當(dāng)風(fēng)速低于 35%額定風(fēng)速時(shí)，雙饋發(fā)電機(jī)難以正常發(fā)電。

圖4 不同結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電機(jī)效率對(duì)比Fig.4 Efficiency comparison of different wind power generators

2.2.2 年發(fā)電量

同樣以額定功率 2MW的發(fā)電機(jī)為例，對(duì)于三種平均風(fēng)速不同結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)年發(fā)電量的對(duì)比見表1[17]?？梢钥闯?，對(duì)于平均風(fēng)速5.4m/s的低風(fēng)速情況，低速直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年發(fā)電量最多；而對(duì)于中等和較高平均風(fēng)速，中速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量最多。各種風(fēng)速條件下，雙饋發(fā)電機(jī)的發(fā)電量皆為最少，由此可以看出永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)所在。

表1 不同結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年發(fā)電量對(duì)比Tab.1 Comparison of annual energy output for different structure wind generators

2.2.3 運(yùn)行可靠性

由于無(wú)集電環(huán)電刷、無(wú)變速箱和軸電壓低，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為可靠，低速、中速和高速永磁發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性依次排名前三位，而雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性最差（見表2）。

表2 不同結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性對(duì)比Tab.2 Comparison of operation reliability

2.2.4 低電壓穿越和無(wú)功補(bǔ)償能力

對(duì)于并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，除了能夠輸出穩(wěn)定和波形良好的電能外，還需要有無(wú)功補(bǔ)償能力和電網(wǎng)故障時(shí)的低電壓穿越能力。由于雙饋發(fā)電機(jī)的定子繞組直接并網(wǎng)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流受變流器容量制約，其低電壓穿越和無(wú)功補(bǔ)償能力受到限制[18,19]。

永磁發(fā)電機(jī)輸出通過(guò)全功率變流器并網(wǎng)，其輸出電能質(zhì)量和無(wú)功補(bǔ)償及低電壓穿越能力要比雙饋發(fā)電機(jī)好得多[19,20]。

2.2.5 制造成本

不同結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的制造成本，受原材料、加工費(fèi)和市場(chǎng)物價(jià)等多方面因素的影響，難以準(zhǔn)確對(duì)比。文獻(xiàn)[23]提供了一臺(tái)采用三級(jí)增速機(jī)構(gòu)的3MW 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DFIG）與直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DDPM）的成本對(duì)比，可供參考。如圖 5所示，DDPM系統(tǒng)總成本約高出DFIG系統(tǒng)34%。DFIG系統(tǒng)中，增速機(jī)構(gòu)占了 DFIG系統(tǒng)成本的三分之二以上；而DDPM系統(tǒng)中，輔助部件和變流器占總成本的63%，永磁體僅為有效部件的一部分，其成本在系統(tǒng)總成本中所占比例不算太大。

圖5 3MW雙饋發(fā)電機(jī)與直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)成本對(duì)比Fig.5 Cost comparison of 3MW DFIG with DDPM

發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)部件，其成本在系統(tǒng)總成本中的比例，可用圖6來(lái)說(shuō)明。圖6是基于文獻(xiàn)[21]所提供數(shù)據(jù)繪制的一臺(tái) 2MW 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)部件成本的分布圖。可以看出，風(fēng)力機(jī)占系統(tǒng)成本的29%，其次是發(fā)電機(jī)，占系統(tǒng)成本的25%。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的增大，電機(jī)成本在系統(tǒng)總成本中的比例會(huì)相應(yīng)減小。對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組，可靠性和高效率無(wú)故障運(yùn)行是評(píng)價(jià)風(fēng)電機(jī)組性能的主要指標(biāo)，雖然直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的成本稍高，但由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠和高效率，是風(fēng)電機(jī)組的最佳選擇。

圖6 2MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成本分配Fig.6 Cost distribution of 2MW DDPM wind power generation system

3 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)

雖然高速、中速和低速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有不同的特點(diǎn)，但作為永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，有其設(shè)計(jì)中需要考慮的共性問(wèn)題。

3.1 永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)型式的選取

按照磁通在電機(jī)中的走向，永磁電機(jī)可分為三種類型，即徑向磁通永磁電機(jī)、軸向磁通永磁電機(jī)和橫向磁通永磁電機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)如圖7所示[11,22]。

圖7 不同磁通方向的永磁電機(jī)Fig.7 Permanent magnet machines with different flux directions

3.1.1 徑向磁通永磁電機(jī)

徑向磁通電機(jī)中永磁體產(chǎn)生徑向磁通，有內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子不同結(jié)構(gòu)形式，轉(zhuǎn)子上永磁體的安裝又分為面貼式、插入式和埋入式等不同方式[23]。徑向永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，電機(jī)的氣隙直徑和軸向長(zhǎng)度可以獨(dú)立選取，能夠滿足不同轉(zhuǎn)速和功率范圍的要求，是目前永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)中應(yīng)用最多的一種。

3.1.2 軸向磁通永磁電機(jī)

軸向磁通電機(jī)中永磁體產(chǎn)生軸向磁通，具有多種結(jié)構(gòu)形式，如有槽式和無(wú)槽式，雙轉(zhuǎn)子，雙定子等[24-27]。軸向永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：繞組簡(jiǎn)單，高轉(zhuǎn)矩密度，無(wú)槽式轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲??；缺點(diǎn)是：無(wú)槽式需要較大外徑和較多永磁體，有槽鐵心加工困難，大直徑盤式結(jié)構(gòu)保持定轉(zhuǎn)子之間的均勻氣隙比較困難，與徑向磁通結(jié)構(gòu)相比電機(jī)較重。該種電機(jī)在大型直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中尚未得到推廣應(yīng)用[23]。

3.1.3 橫向磁通永磁電機(jī)

橫向磁通永磁電機(jī)中的磁通路徑是垂直于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，它可以在不減小主磁通有效空間情況下增加繞組空間。該種永磁電機(jī)也有多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如爪極式、單邊式、雙邊式、E形鐵心、C形鐵心等[23,28-30]。橫向磁通永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：較高的力能密度、繞組簡(jiǎn)單和具有較低的銅耗。缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜制造困難，具有三維的磁通路徑和較大漏磁，力能密度優(yōu)勢(shì)隨著氣隙的增大而降低。

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)于不同結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)的綜述和對(duì)比研究，徑向磁通永磁電機(jī)是目前大型（特別是低速直驅(qū)）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要機(jī)型；軸向磁通永磁電機(jī)較適合外徑不太大的應(yīng)用場(chǎng)合，目前尚未在兆瓦級(jí)低速直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用；橫向磁通永磁電機(jī)較適合于氣隙較小（氣隙長(zhǎng)度與電機(jī)外徑之比≤0.001）的應(yīng)用場(chǎng)合，難以在具有較大氣隙的大型直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用[23,31]。

3.2 減小齒槽脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方法

齒槽轉(zhuǎn)矩是由于轉(zhuǎn)子永磁體相對(duì)定子鐵心齒槽不同位置產(chǎn)生的一種脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，會(huì)產(chǎn)生電機(jī)振動(dòng)、噪聲和起動(dòng)阻力矩等不利影響，齒槽脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小是評(píng)價(jià)永磁電機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。減小永磁發(fā)電機(jī)齒槽脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方法有以下幾種[32-35]。

3.2.1 采用每極每相分?jǐn)?shù)槽繞組

理論和實(shí)踐證明，采用分?jǐn)?shù)槽繞組是減小齒槽轉(zhuǎn)矩的有效方法。電機(jī)的每極每相槽數(shù)可表示為

式中，Z、p、m分別為電機(jī)的槽數(shù)、極對(duì)數(shù)和相數(shù)；b為整數(shù)；c/d為不可約真分?jǐn)?shù)。

選取上式中分母較大的d值可有效地減小齒槽轉(zhuǎn)矩。圖 8為具有不同極槽配合的 1.5MW 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的齒槽脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)比[15]。

由圖8可以看出，采用78極324槽的極槽配合（每極每相槽數(shù)q的分母d=13），永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空載和負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，要比120極432槽（d=5）設(shè)計(jì)方案小得多。

圖8 不同極槽配合1.5MW DDPM齒槽脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)比Fig.8 Cogging torque comparison of 1.5MW DDPM with different pole-slot combination

3.2.2 合理選取極弧系數(shù)

一般采用極弧系數(shù)（磁極寬度與極距之比）表征不同尺寸電機(jī)中永磁體寬度的影響。極弧系數(shù)的大小，關(guān)系到永磁體相對(duì)于定子鐵心齒槽的相對(duì)位置，直接影響到電機(jī)的齒槽脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。通過(guò)合理選取極弧系數(shù)可以削弱齒槽脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

需要注意的是，極弧系數(shù)的選取，不僅影響齒槽轉(zhuǎn)矩，而且關(guān)系到永磁體產(chǎn)生的每極磁通大小、永磁材料用量和電機(jī)成本。因此，在選取永磁體寬度和極弧系數(shù)時(shí)，需要綜合考慮多方面的要求，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[36]。

3.2.3 斜槽或斜磁極

斜定子槽或轉(zhuǎn)子磁極是電機(jī)設(shè)計(jì)中消除齒槽轉(zhuǎn)矩的傳統(tǒng)和有效方法，然而大功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用斜槽或斜磁極會(huì)造成制造工藝上的困難，因此在采用其他方法可以消除齒槽轉(zhuǎn)矩的情況下，盡可能避免采取斜槽或斜磁極方法。

3.2.4 采用不對(duì)稱極寬

對(duì)于每極每相整數(shù)槽繞組，可將磁極分組采用不等寬磁極，構(gòu)成相對(duì)于定子繞組對(duì)稱的磁極單元，可以達(dá)到類似于分?jǐn)?shù)槽方式消除齒槽脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的效果，對(duì)于面貼式永磁轉(zhuǎn)子，其工藝性并不十分復(fù)雜。

3.3 永磁體的防失磁措施

永磁體的磁性能穩(wěn)定性是永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的保證。除了采取永磁體防氧化、腐蝕和機(jī)械損傷措施外，還需要采取防失磁措施。

目前永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的永磁體多采用釹鐵硼材料，可能發(fā)生的失磁主要來(lái)自兩個(gè)方面：一是溫度過(guò)高超過(guò)永磁材料所允許的工作溫度；二是定子繞組電流產(chǎn)生的去磁磁場(chǎng)過(guò)大超出了永磁體所允許的范圍。防止失磁的主要措施如下所述。

3.3.1 選用耐高溫的永磁材料

永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子工作溫度較高，需要選用允許工作溫度較高（＞150℃）的永磁材料，永磁體充磁后需要進(jìn)行熱老化，使其有較好的熱穩(wěn)定性[37]。

3.3.2 減小永磁體的損耗和保證良好的散熱條件

定子齒槽結(jié)構(gòu)和繞組電流非正弦產(chǎn)生的空間和時(shí)間諧波，將在永磁體中產(chǎn)生渦流損耗。為了減小永磁體的損耗和發(fā)熱，最好在面貼式永磁體的表面加導(dǎo)電或?qū)Т诺钠帘翁?。?dǎo)電屏蔽套可使氣隙磁場(chǎng)高次諧波在其中產(chǎn)生渦流從而阻止諧波磁場(chǎng)進(jìn)入永磁體；而導(dǎo)磁屏蔽套可為氣隙磁場(chǎng)高次諧波提供閉合回路，從而削弱進(jìn)入永磁體的磁場(chǎng)諧波。永磁體采用屏蔽套，對(duì)于定子繞組電流產(chǎn)生的去磁磁場(chǎng)也有一定的屏蔽作用，有利于永磁體的防失磁保護(hù)[38]。此外，增大定轉(zhuǎn)子之間的氣隙，不僅可減小永磁轉(zhuǎn)子的渦流損耗，而且有利于轉(zhuǎn)子的散熱[37]。

需要采取有效的永磁轉(zhuǎn)子散熱措施，要分析計(jì)算發(fā)電機(jī)工作在最大負(fù)載和最高環(huán)境溫度下的電機(jī)內(nèi)溫度分布，確實(shí)保證永磁體的工作溫度在所允許的范圍之內(nèi)[16]。

3.3.3 選取永磁體尺寸時(shí)要充分考慮最大去磁情況

矯頑力反映了永磁體承受反向去磁的能力，釹鐵硼永磁體的矯頑力隨著溫度的增高而減小。要按最高工作溫度下可能產(chǎn)生的最大去磁條件下，選取永磁體沿磁化方向上的長(zhǎng)度，使永磁體的工作點(diǎn)在退磁曲線的拐點(diǎn)以上。需要說(shuō)明的是，永磁體的失磁是從局部開始的，采用傳統(tǒng)等效磁路法計(jì)算出的工作點(diǎn)，可能不能反映發(fā)生永磁體局部失磁情況，需要采用場(chǎng)路耦合方法，計(jì)算最大去磁情況下永磁體的磁場(chǎng)分布，核算是否有發(fā)生局部失磁的可能性[16,37,38]。

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大去磁情況，通常按定子繞組發(fā)生三相突然短路考慮，需要指出的是，三相短路不一定電流沖擊最大，有時(shí)兩相短路電流可能比三相短路還大。圖 9所示為一臺(tái) 1.5MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩相短路和三相短路電流的比較，兩相短路電流最大值7 081A，高于三相短路電流最大值6 880A[15]。

3.4 發(fā)電機(jī)與變流器的參數(shù)匹配

圖9 1.5MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)三相與兩相短路電流對(duì)比Fig.9 Comparison of 3-phase and 2-phase short-circuited currents for a 1.5MW DDPM wind generator

對(duì)于永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)與功率變流器是不可分的，設(shè)計(jì)中必須考慮二者之間的參數(shù)配合問(wèn)題。變流器實(shí)現(xiàn)功率變換，需要知道永磁發(fā)電機(jī)的等效電路模型參數(shù)和不同轉(zhuǎn)速下的電壓、電流和功率曲線。從機(jī)側(cè)變流器的過(guò)電壓保護(hù)考慮，特別關(guān)心最高轉(zhuǎn)速下永磁發(fā)電機(jī)的最大空載電壓值。受變流器開關(guān)器件和電路元件最高允許工作電壓的限制，如果永磁發(fā)電機(jī)的空載電壓過(guò)高，將會(huì)危及變流器的安全。

從永磁發(fā)電機(jī)的角度考慮，除了要求電控系統(tǒng)和變流器能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機(jī)有功和無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)控制及故障監(jiān)測(cè)和保護(hù)外，還要求變流器產(chǎn)生的電壓和電流諧波不能在電機(jī)中產(chǎn)生較大的附加損耗和造成對(duì)于繞組絕緣的危害。為此，要求在機(jī)側(cè)變流器與發(fā)電機(jī)之間裝設(shè)濾波器，并對(duì)變流器產(chǎn)生的du/(dt) 提出限制，例如，對(duì)于額定電壓690V的發(fā)電機(jī)，一般要求 du/(dt) 值不大于 1000V/μs?？紤]到變流器電壓和電流諧波對(duì)于發(fā)電機(jī)的影響，需要加強(qiáng)永磁發(fā)電機(jī)的繞組絕緣。

4 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨向

風(fēng)力發(fā)電機(jī)總的發(fā)展趨勢(shì)是大型化，海上風(fēng)電機(jī)組的功率一般為3～10MW，要求發(fā)電機(jī)具有高效率、高功率密度和高可靠性。雖然永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為適合上述要求，然而需要從電機(jī)結(jié)構(gòu)、制造工藝、冷卻方式、功率變換和控制策略等方面，進(jìn)行不斷的創(chuàng)新探索和應(yīng)用實(shí)踐。

4.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)型式

4.1.1 超大直徑超薄永磁電機(jī)

增大氣隙直徑通過(guò)提高圓周速度可減小電機(jī)的體積和重量。文獻(xiàn)[39]提出了一種稱之為 NewGen的超大直徑和超薄的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖10a所示。

NewGen 是一種徑向磁通外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，定轉(zhuǎn)子是兩個(gè)直徑很大的薄環(huán)，轉(zhuǎn)子直接固定在風(fēng)力機(jī)上隨葉輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，定子通過(guò)軛部突緣上的拉桿固定，類似自行車輪的輻條，可保證定子的剛度。定轉(zhuǎn)子之間的傳動(dòng)是通過(guò)固定在定子上的多個(gè)鋼輪在轉(zhuǎn)子滑道中轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，可保證氣隙不變。

對(duì)于額定轉(zhuǎn)速19r/min額定功率4MW的NewGen永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，定子內(nèi)徑9m，軸向有效長(zhǎng)0.35m，據(jù)計(jì)算，該電機(jī)總重只有36.9t，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的低速直驅(qū)和齒輪增速的發(fā)電機(jī)分別為136.8t和61.3t?？梢哉f(shuō)NewGen是一種最輕的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該種電機(jī)的可行性已在一臺(tái)140kW樣機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證，圖10b所示為試驗(yàn)樣機(jī)的定子。

圖10 超大直徑永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)[39]Fig.10 PM wind generator with super large diameter[39]

4.1.2 無(wú)鐵心定子永磁電機(jī)

定子鐵心在電機(jī)總重量中占有較大的比例，采用無(wú)鐵心定子不僅能夠減小電機(jī)的重量，而且可以消除齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和降低電機(jī)的振動(dòng)和噪聲[40]。文獻(xiàn)[41]提出了一種雙轉(zhuǎn)子的無(wú)鐵心定子盤式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，采用了印制電路板的繞組結(jié)構(gòu)，如圖11所示。據(jù)計(jì)算，一臺(tái) 2.5MW 的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，采用上述無(wú)鐵心繞組結(jié)構(gòu)，可將電機(jī)重量由原來(lái)的55t降低到28t，約50%，可見對(duì)于減輕電機(jī)的重量十分有效。然而，由于無(wú)鐵心繞組電機(jī)的氣隙較大，要產(chǎn)生足夠大磁負(fù)荷所需要的永磁體較多，該電機(jī)需要3t的永磁體，約比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)增加一倍，而且由于結(jié)構(gòu)和工藝比較復(fù)雜，其制造成本不一定低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)。

圖11 無(wú)鐵心定子雙轉(zhuǎn)子盤式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)[41]Fig.11 PM wind generator with coreless stator dual rotor[41]

4.1.3 組合式永磁電機(jī)

為了減小電機(jī)體積和提高功率密度，不僅提出了多定子和多轉(zhuǎn)子的軸向磁通和橫向磁通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，而且傳統(tǒng)徑向磁通結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)，也出現(xiàn)了內(nèi)外轉(zhuǎn)子電機(jī)組合式的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)。圖12所示為徑向磁通組合式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的兩種組合方式，圖12a為將一臺(tái)內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)放入另一臺(tái)外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的內(nèi)腔之中，然后將兩個(gè)定子合并為共用鐵心的一個(gè)定子[42]；而圖12b則為將一臺(tái)外轉(zhuǎn)子放入另一臺(tái)內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的內(nèi)腔之中，然后將兩轉(zhuǎn)子連接在一起。

圖12 組合式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)Fig.12 Combinational PM wind generators

相比之下，后一種組合方式電機(jī)加工制造和裝配更為方便。兩個(gè)轉(zhuǎn)子組合可以采用共用轉(zhuǎn)子鐵心的N-S型永磁體結(jié)構(gòu)，也可以采用具有隔磁間隙的獨(dú)立轉(zhuǎn)子鐵心的N-N型永磁體結(jié)構(gòu)。采用N-N型永磁體結(jié)構(gòu)的內(nèi)外轉(zhuǎn)子電機(jī)沒有電磁耦合關(guān)系，可以獨(dú)立運(yùn)行，有利于發(fā)電機(jī)的冗余化控制。據(jù)計(jì)算，在一臺(tái) 3MW 的內(nèi)轉(zhuǎn)子直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的內(nèi)腔中插入一臺(tái) 2MW的外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，在不增加外形尺寸的情況下，可構(gòu)成一臺(tái)額定功率為 5MW的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)[43]。

4.2 電機(jī)制造工藝

為了便于加工制造、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)安裝和維修，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)制造工藝正在向模塊化方向發(fā)展。將電機(jī)的定轉(zhuǎn)子劃分為電磁對(duì)稱的多個(gè)單元，電機(jī)各部件按模塊生產(chǎn)，然后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝。圖10～圖 12中的電機(jī)都可以進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和加工制造。

傳統(tǒng)分布短距雙層繞組線圈之間相互疊壓，不容易分瓣進(jìn)行模塊化生產(chǎn)。近來(lái)采用一種單層集中繞組結(jié)構(gòu)，線圈之間沒有疊壓關(guān)系，不僅有利于繞組的加工制造和實(shí)現(xiàn)電機(jī)的模塊化，而且由于每個(gè)線圈套在一個(gè)定子齒上，大大縮短了繞組的端部長(zhǎng)度，可減少繞組的用銅量和損耗。同時(shí)，由于可采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組，同樣可以減小電機(jī)的齒槽脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩[44,45]。

4.3 電機(jī)冷卻技術(shù)

低速直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于體積和散熱面積較大，一般采取自然和強(qiáng)迫風(fēng)冷。大功率的中速和高速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于熱負(fù)荷較大及散熱面積有限，多采用水冷方式。改進(jìn)散熱條件和增加散熱能力，有利于提高電機(jī)的電磁負(fù)荷從而減小電機(jī)的體積和重量。近來(lái)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用先進(jìn)冷卻技術(shù)的研究十分活躍。

4.3.1 蒸發(fā)冷技術(shù)的應(yīng)用

蒸發(fā)冷卻是一種新型冷卻方式，已成功應(yīng)用于大型汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)[46,47]，也可以在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中推廣應(yīng)用。中科院電工所與沈陽(yáng)華創(chuàng)風(fēng)能有限公司合作，率先開展了風(fēng)力發(fā)電機(jī)蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用研究，所研制的蒸發(fā)冷中速半直驅(qū)3.6MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)已經(jīng)下線[8]。采用蒸發(fā)冷卻，可以提高電機(jī)的熱負(fù)荷，有利于減小電機(jī)的體積和重量，較適合于高速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)。在低速直驅(qū)發(fā)電機(jī)中，由于匝數(shù)較多繞組損耗在電機(jī)總損耗中占主導(dǎo)地位，增加繞組電流密度會(huì)導(dǎo)致繞組損耗增加和電機(jī)效率下降，因而采用蒸發(fā)冷的效果受到電機(jī)效率的制約。在高速電機(jī)中繞組銅耗較小，增加電流密度對(duì)于電機(jī)效率的影響較小。

4.3.2 高溫超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用

采用高溫超導(dǎo)（HTS）冷卻技術(shù)，可使傳統(tǒng)電機(jī)的重量降低三分之二而損耗降低二分之一[48]。隨著新一代低成本高溫超導(dǎo)（2G HTS）線材的開發(fā)應(yīng)用，使得高溫超導(dǎo)電機(jī)具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[49]。目前國(guó)內(nèi)外都在積極開展對(duì)于高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，集中在10MW級(jí)高溫超導(dǎo)低速直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可行性研究，中科院電工所正在進(jìn)行100kW模擬樣機(jī)的研究工作[50,51]。

4.4 電機(jī)增速機(jī)構(gòu)

為了克服齒輪增速裝置的機(jī)械摩擦損耗、振動(dòng)和噪聲等缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外開展了對(duì)于磁性齒輪的研究。磁性齒輪是一種無(wú)機(jī)械接觸、無(wú)需潤(rùn)滑并具有過(guò)載自動(dòng)保護(hù)功能的新型變速機(jī)構(gòu)。磁場(chǎng)調(diào)制式磁性齒輪的結(jié)構(gòu)如圖13所示，類似一臺(tái)單定子雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，只是在定子上僅有鐵心而無(wú)繞組[52]。

磁性齒輪的工作原理是利用定子調(diào)磁鐵心對(duì)于內(nèi)外轉(zhuǎn)子上永磁體磁場(chǎng)的調(diào)制作用，使所調(diào)制的諧波磁場(chǎng)與對(duì)面永磁轉(zhuǎn)子具有相同的極數(shù)而相互作用。為此，內(nèi)外永磁轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)之和需等于定子調(diào)磁鐵心的塊數(shù)，磁性齒輪的速比Gr為

圖13 磁性齒輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.13 Configuration of a magnetic gear

式中，pl、ph和ns分別為內(nèi)外永磁轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)和定子調(diào)磁鐵心塊數(shù)。

風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)磁性齒輪的外轉(zhuǎn)子低速旋轉(zhuǎn)，而內(nèi)轉(zhuǎn)子則以增速比為Gr的速度旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)。可以利用永磁內(nèi)轉(zhuǎn)子作為高速永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，而在其內(nèi)部放入發(fā)電機(jī)的定子，構(gòu)成一臺(tái)磁性齒輪與發(fā)電機(jī)集成在一起的具有雙轉(zhuǎn)子和雙定子的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，如圖14a所示[53]?；蛘撸龠M(jìn)一步集成化，直接將發(fā)電機(jī)的繞組放入磁性齒輪定子調(diào)磁鐵心塊之間，成為如圖14b所示的雙轉(zhuǎn)子單定子結(jié)構(gòu)[54]。

圖14 磁性齒輪永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)Fig.14 Magnetic geared PM wind generator

4.5 功率變換技術(shù)

受變流器制造成本的制約，目前 3MW 以下的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(huì)使發(fā)電機(jī)的額定電流過(guò)大，繞組出線過(guò)粗，不僅產(chǎn)生較大的線路損耗，而且造成機(jī)組安裝和維護(hù)的諸多不便。3MW以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，逐漸向提高額定電壓采用中壓（3～6kV）變頻器方向發(fā)展。

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而中壓變流器采用多電平結(jié)構(gòu)，采用AC-DC-AC功率變換方式[55,56]。采用矩陣變流器的 AC-AC直接功率變換系統(tǒng)，省去交流側(cè)的濾波器和直流側(cè)的電解電容，可節(jié)約成本和提高變流器效率，是功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展趨向之一[57]。安川電機(jī)（Yaskawa Electric）推出了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)專用Enerwin系列中壓矩陣變流器，可配套用于功率2～5MW、電壓3～4.15kV的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，與同功率和電壓等級(jí)的 AC-DC-AC變流器相比，效率可提高1～2個(gè)百分點(diǎn)，體積和成本可降低30%～50%[58]。

4.6 電機(jī)控制技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展方向，是在提高機(jī)組系統(tǒng)效率和電能質(zhì)量的同時(shí)，提高運(yùn)行可靠性和故障容錯(cuò)能力[59,60]。

從發(fā)電機(jī)和功率變換控制角度來(lái)看，采用多相和多繞組結(jié)構(gòu)，不僅可以提高電機(jī)的出力，而且有利于發(fā)電機(jī)的容錯(cuò)運(yùn)行[61]。

在2011年電機(jī)與系統(tǒng)國(guó)際會(huì)議(ICEMS)上，美國(guó)Wisconsin大學(xué)的T.A.Lipo教授提出了一種電機(jī)“開繞組 (open-winding)”理論，為電機(jī)和變流器的多相多繞組冗余控制技術(shù)提供了一種新的思路[62]。

開繞組突破了交流電機(jī)三相繞組的傳統(tǒng)Y聯(lián)結(jié)或△聯(lián)結(jié)方式，每相或每個(gè)繞組具有獨(dú)立的端子，可以采取與變流器不同的連接方式構(gòu)成不同的功率變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖15所示。可以將三相繞組拓展到多相多繞組結(jié)構(gòu)，通過(guò)變流器的柔性智能控制，可在電機(jī)繞組或變流器發(fā)生開路或開路故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)功率變換系統(tǒng)的冗余控制。

圖15 三相開繞組接線方式Fig.15 Connection modes of 3-phase open-winding

5 結(jié)論

高速、中速和低速直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的對(duì)比分析表明，永磁發(fā)電機(jī)在系統(tǒng)效率、年發(fā)電量、電能質(zhì)量和可靠性等方面，明顯優(yōu)于雙饋發(fā)電機(jī)，只是制造成本略高。

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有多種結(jié)構(gòu)型式，目前仍以內(nèi)轉(zhuǎn)子或外轉(zhuǎn)子徑向磁通結(jié)構(gòu)為主。永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)需要注意減小齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、防止永磁體失磁以及發(fā)電機(jī)與變流器的合理匹配問(wèn)題。

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨向，概括起來(lái)是：結(jié)構(gòu)形式多樣化和組合化，制造工藝模塊化，冷卻技術(shù)現(xiàn)代化，功率變換高壓化和控制技術(shù)智能化。

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