永磁式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

目前世界上大約有10 家大型風(fēng)電設(shè)備制造廠商，其中一半以上都在進(jìn)行永磁發(fā)電機(jī)技術(shù)的研究和推廣。采用永磁發(fā)電機(jī)來取代現(xiàn)有的雙饋式異步發(fā)電機(jī)，方法很簡單，那就是采用相同轉(zhuǎn)速的永磁發(fā)電機(jī)和全功率變流器來取代有升速齒輪箱的雙饋式異步發(fā)電機(jī)，只要對風(fēng)力機(jī)和機(jī)艙的布置進(jìn)行很小的改動即可。采用永磁技術(shù)的優(yōu)點如下：(1)可以制成具有10～20r/min的低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)；(2)可以采用各種結(jié)構(gòu)形式，比如帶有外轉(zhuǎn)子的軸向磁通發(fā)電機(jī)；(3)可以使發(fā)電機(jī)達(dá)到高效率、高轉(zhuǎn)矩，卻不需要向勵磁系統(tǒng)連續(xù)地輸入能量；(4)可以使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生比較低的同步電感，卻具有比較高的轉(zhuǎn)矩。

釤鈷具有的良好磁特性，可以制造高性能、高效率的永磁電機(jī)，尤其是小型電機(jī)。但是由于價格比較高，影響了它的大規(guī)模應(yīng)用。80年代研究人員發(fā)現(xiàn)釹鐵硼的磁特性要比釤鈷好，但是在初期材料溫度的穩(wěn)定性限制了它在低溫設(shè)備上的應(yīng)用。提高了釹鐵硼的溫度等級和耐腐蝕性能后，為高效永磁電機(jī)的發(fā)展開辟了道路，其中包括大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

但永磁技術(shù)也存在一些需要解決的問題：(1)永磁體能否退磁；(2)剩余磁通密度如何隨著時間而變化；(3)永磁體的機(jī)械和化學(xué)性能是否穩(wěn)定；(4)稀土原材料能否長久供應(yīng)；(5)永磁體材料的價格問題。因此有必要了解一下有關(guān)永磁體風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最新發(fā)展情況，以及在開發(fā)和運(yùn)行維護(hù)過程中應(yīng)當(dāng)注意的幾個問題。

1 永磁材料的特點

1.1 材料選擇

永磁材料對于發(fā)電機(jī)設(shè)計的影響很大。其中，實現(xiàn)切向應(yīng)力的最大化，是最重要的設(shè)計特征。由于應(yīng)力與氣隙線電流密度和氣隙磁通密度成正比，對于低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)矩的發(fā)電機(jī)，將永磁體直接裝在轉(zhuǎn)子表面，可以最有效地利用永磁材料。

選擇的永磁材料，應(yīng)當(dāng)能夠提高氣隙磁通密度，同時還要具有比較高的剩磁、比較高的矯頑磁力和能夠承受高溫的作用。永磁體的磁通密度應(yīng)當(dāng)高于它的最佳磁能積。與銅耗相比，它的鐵耗很小。采用直驅(qū)式結(jié)構(gòu)時，幾乎只產(chǎn)生單一的銅耗。因此，鐵心材料應(yīng)當(dāng)具有比較高的飽和磁通密度。

永磁體外形尺寸應(yīng)當(dāng)選擇比較厚的材料，以便使它的運(yùn)行點更接近材料的密度。但是材料用量比較大，重量和成本高，應(yīng)當(dāng)折中考慮。

1.2 加強(qiáng)冷卻

轉(zhuǎn)子的溫度，更確切的說就是永磁體的溫度。永磁體的矯頑磁力以及抵抗外部磁場的能力，主要依賴的就是這個溫度。發(fā)電機(jī)的短路計算和確定永磁體的參數(shù)時，都必須在轉(zhuǎn)子溫度最高的情況下進(jìn)行。此外，這個溫度是考慮退磁危險的關(guān)鍵參數(shù)。永磁體的剩磁密度也取決于這個溫度，它能影響發(fā)電機(jī)的性能和損耗。永磁體的溫度越高，電壓越低，就需要更大的定子電流，銅耗也增大，此時必須考慮加強(qiáng)冷卻。

1.3 保證穩(wěn)定性

就像其它所有工程材料一樣，永磁材料的穩(wěn)定性也只能局限在一定的物理限制范圍內(nèi)，而產(chǎn)品設(shè)計的任務(wù)就是要保證它運(yùn)行在這些物理限制范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。因此釹鐵硼永磁體必須避免由于不可控溫升和腐蝕而發(fā)生的退磁現(xiàn)象。近年來釹鐵硼永磁體的發(fā)展很快，已經(jīng)達(dá)到了抗腐蝕性能和耐熱性能的要求。只要保持它的穩(wěn)定性，就可以延長其運(yùn)行使用壽命。

1.4 避免退磁

退磁是一個隨著時間變化的過程。在溫度低于居里溫度(釹鐵硼的居里溫度為310℃～400℃)時，由于反向磁場的作用就會引起退磁。反向磁場可能是外加的磁場或是永磁體本身的磁場，每一種永磁材料都有自己的退磁特性，即剩余磁通密度和矯頑磁力之間的關(guān)系。矯頑磁力即永磁材料抵抗反向磁場作用的能力，它決定了永磁材料退磁的反向磁場強(qiáng)度，在遠(yuǎn)小于矯頑磁力磁場的情況下，永磁體不會發(fā)生永久退磁。

釹鐵硼永磁體材料具有很高的比能。其磁導(dǎo)率通常為1.05。它的去磁曲線表明：磁性材料的特性取決于溫度。當(dāng)它的溫度超過最大允許值時，就可能會導(dǎo)致永磁體材料的可逆或不可逆失磁。磁極的工作點設(shè)計在0.6～0.8T范圍內(nèi)。永磁體典型的設(shè)計溫度為80℃，最高溫度為90℃(包括正常和非正常工況下)。鑒于磁場強(qiáng)度取決于溫度，所以發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電壓會受到溫度變化的影響。相對于磁通密度和磁場強(qiáng)度的永磁體材料的溫度系數(shù)，分別為0.09%/℃和0.61%/℃。因此，當(dāng)永磁體的溫度降低時，永磁同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)電勢就比較高。

釹鐵硼永磁體的矯頑磁力隨著溫度的升高而減小，但是卻可以通過與其它稀有金屬合金化處理來增大。不含合金元素時，釹鐵硼的耐熱溫度只能達(dá)到60℃。如果增加鏑，其最高溫度就能達(dá)到200℃或更高。如果永磁體的工作環(huán)境溫度和磁場強(qiáng)度是在可控范圍內(nèi)，永磁體的退磁就可以避免。

1.5 減少磁能損失

永磁體的老化問題主要是指它的磁能損失隨著溫度和時間的變化。由于磁化強(qiáng)度取決于磁場，當(dāng)外部磁場低于矯頑磁場時，磁化系數(shù)很小，磁化強(qiáng)度是穩(wěn)定的。當(dāng)永磁體的磁化系數(shù)為0.5時，永磁體不可逆退磁時的磁通損失隨著溫度和時間的變化見表1。在選擇材料時，一定要考慮與時間有關(guān)的磁能損失。

表1 磁化系數(shù)為0.5的永磁體隨著溫度和時間而變化的不可逆退磁時的磁通損失(%)

1.6 防止腐蝕

為了防止機(jī)械和化學(xué)因素的影響，釹鐵硼永磁體必須受到保護(hù)。由于脆性是粉末冶金產(chǎn)品的一個典型特性，所以永磁體是易碎的，不能用它作為承受拉伸載荷的元件。

在上個世紀(jì)80年代，市場上出現(xiàn)了采用燒結(jié)工藝制成的釹鐵硼永磁體，同時發(fā)現(xiàn)必須采取防止腐蝕的措施。否則，就會容易產(chǎn)生晶間腐蝕，并導(dǎo)致永磁體粉碎。近年來，推出了它的解決辦法，即通過改變永磁體的冶金微觀結(jié)構(gòu)，來盡量減少或者避免晶間腐蝕。因此，在一般情況下，現(xiàn)在的釹鐵硼永磁體可以不必采取防止腐蝕措施。但是，應(yīng)用在潮濕或海洋環(huán)境下，就必須采取浸漬樹脂、密封、防止潮濕或外加覆蓋層等措施。制定和應(yīng)用的測定腐蝕的方法是：將永磁體暴露于高溫度或高濕度的環(huán)境中來進(jìn)行測量。

2 永磁電機(jī)優(yōu)點

新型永磁轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)點如下：(1)勵磁電壓恒定—永磁體內(nèi)的電勢保持恒定不變，因為它取決于永磁體的幾何形狀和尺寸；(2)轉(zhuǎn)動慣量較小—包括風(fēng)力機(jī)透平轉(zhuǎn)輪和永磁式轉(zhuǎn)子在內(nèi)的轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量只有0.1～0.4；(3)同步電抗很低—只是常規(guī)同步發(fā)電機(jī)的40%～50%；(4)瞬態(tài)電抗為0，因為沒有勵磁繞組；(5)次瞬態(tài)電抗也小—只是15%～35%；(6)永磁體內(nèi)電勢—額定電壓的100%～130%；(7)縱軸電抗與其橫軸電抗，兩者相等；(8)無功功率控制—因為發(fā)出的無功功率，取決于發(fā)電機(jī)的端電壓與恒定的永磁體內(nèi)電勢之差，只要調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的端電壓，就可以調(diào)節(jié)無功功率輸出；(9)電機(jī)感應(yīng)電壓—它與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系；(10)裝有阻尼繞組—可以使發(fā)電機(jī)能夠承受反向電流，并防止短路工況下的局部去磁；(11)它是一種魯棒性能好、維護(hù)成本低、工作效率高的發(fā)電機(jī)。

在對比永磁技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)時，經(jīng)常采用的主要評判標(biāo)準(zhǔn)是：額定點的工作效率。在許多情況下，這種對比是完全不正確的。因為風(fēng)力發(fā)電機(jī)在一半以上的時間里，是在部分負(fù)載情況下運(yùn)行的。它的投資回報時間主要取決于年發(fā)電量。雙饋式異步發(fā)電機(jī)的工作范圍局限在同步轉(zhuǎn)速的±30%之間，即它的相對速度為0.54～1(p.u.)。永磁式發(fā)電機(jī)能在0.2～1的范圍內(nèi)運(yùn)行。因此，永磁式發(fā)電機(jī)的總效率更高，發(fā)電量也更高。永磁發(fā)電機(jī)的另外一個優(yōu)點是：由于不用碳刷和滑環(huán)，它幾乎沒有需要維護(hù)的零件。

表2 各種類型2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)不同平均風(fēng)速時的年發(fā)電量(MWh)

3 機(jī)組結(jié)構(gòu)型式

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)布置型式基本上有三種，即高速、中速和低速系統(tǒng)。

3.1 雙饋式高速系統(tǒng)

這種高速系統(tǒng)是最常見的。它利用升速比為1：100的齒輪箱。可使發(fā)電機(jī)達(dá)到1000～2000r/min的高轉(zhuǎn)速。由于這種異步發(fā)電機(jī)的調(diào)速范圍只是同步轉(zhuǎn)速的±30%，轉(zhuǎn)子變流器的額定容量也只有發(fā)電機(jī)額定容量的30%，可以達(dá)到97%的最大效率。所以，它具有比較高的能效。但是變流器卻需要額外的保護(hù)。

3.2 永磁式高速系統(tǒng)

在高速系統(tǒng)中，采用永磁式同步發(fā)電機(jī)時，需要配備全功率的變流器，以便解決雙饋式異步發(fā)電機(jī)存在的電網(wǎng)電壓降低時的穿越能力問題。這種永磁高速發(fā)電機(jī)的設(shè)計關(guān)鍵是永磁體必須受到機(jī)械保護(hù)(比如設(shè)計成為內(nèi)置式永磁體)，并防止退磁。當(dāng)永磁體發(fā)熱，或發(fā)電機(jī)端部發(fā)生兩相或三相短路時，就有可能發(fā)生退磁現(xiàn)象。

防止退磁的方法有如下幾種：(1)提高定子漏磁；(2)降低磁化電感；(3)選擇矯頑磁力比較高的永磁體；(4)進(jìn)行精細(xì)的設(shè)計。但是既要發(fā)電機(jī)效率高，又要減少退磁風(fēng)險 ，就可能增加成本，減小市場競爭能力。

3.3 永磁式中速系統(tǒng)

此時齒輪箱的增速比為 1：10，發(fā)電機(jī)的速度為 150r/min 左右。與高速系統(tǒng)相比，它的極數(shù)比較多，漏電感也比較大，但是轉(zhuǎn)子永磁體可以采用表面貼服式，退磁風(fēng)險也明顯減小。這種發(fā)電機(jī)本身沒有軸承，其轉(zhuǎn)子依靠齒輪的次級軸支撐，可以節(jié)省空間和重量。由于速度相對比較低，可以使效率達(dá)到最大數(shù)值。與高速系統(tǒng)一樣達(dá)到鐵耗與銅耗的平衡。

3.4 永磁式低速直驅(qū)系統(tǒng)

采用直驅(qū)式時額定轉(zhuǎn)速低，只有12～15r/min。這種很低的轉(zhuǎn)速只有同步電機(jī)，特別是永磁同步電機(jī)能做到。但是發(fā)電機(jī)本身不能實現(xiàn)鐵耗與銅耗的良好平衡，而以銅耗為主。為了增大功率，如果轉(zhuǎn)速很低，就只能增加直徑和轉(zhuǎn)矩。所以，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩必須與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩相匹配。實際上，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩決定了轉(zhuǎn)子的尺寸大小。直驅(qū)式的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)當(dāng)使麥克斯韋應(yīng)力的切向應(yīng)力實現(xiàn)最大化。此時，最好采用表貼式永磁體，可以獲得盡可能小的磁化電感值。當(dāng)轉(zhuǎn)速為14r/min時，可以使切向應(yīng)力從45kPa提高到60kPa，功率可以達(dá)到4MW而不是3MW。為了提高切向應(yīng)力，就必須采用有效的冷卻方式。如果功率達(dá)到5～6MW，必須采用直接冷卻方式。

除了表貼式永磁體結(jié)構(gòu)以外，還可以采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。由于永磁體裝在外轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面，而其外表面在自由流通的大氣中轉(zhuǎn)動，永磁體的冷卻很有效。由于發(fā)電機(jī)極數(shù)很多，漏電感很大，能夠有效地防止退磁危險。

采用直驅(qū)式時，轉(zhuǎn)矩脈動非常重要。因為脈動頻率能夠輕易地引起風(fēng)機(jī)系統(tǒng)機(jī)械振動，特別是低轉(zhuǎn)速時，如果出現(xiàn)齒-槽轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)就不能運(yùn)行。當(dāng)轉(zhuǎn)速為14r/min時，轉(zhuǎn)矩脈動能達(dá)到額定值的33.99%。如果轉(zhuǎn)速低到2r/min時，其轉(zhuǎn)矩脈動就非常嚴(yán)重。但是，在轉(zhuǎn)子表面安裝正弦型永磁體，可以使其脈動峰值減小到0.5%。

開發(fā)應(yīng)用的定子線圈采用超高壓新技術(shù)的大型永磁發(fā)電機(jī)已成功運(yùn)行。它可以直接并網(wǎng)而不需要經(jīng)過變壓器，也不用齒輪箱和電刷之類的磨損器件，這種新型風(fēng)電機(jī)組上個世紀(jì)末已在瑞典的海上風(fēng)電場投入運(yùn)行，共2臺，單機(jī)容量3MW(已完成3～5MW的產(chǎn)品設(shè)計)，風(fēng)輪機(jī)中心高70m，轉(zhuǎn)輪直徑90m，3個葉片，每個葉片長45m，由環(huán)氧玻璃鋼制成。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為具有多極結(jié)構(gòu)的大直徑圓盤式永磁體，直徑6m，這是至今為止世界上最大的永磁式轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為18r/min，為了適應(yīng)海上運(yùn)行，永磁體采用防腐材料。機(jī)組可在5～28m/s的可變風(fēng)速下運(yùn)行，風(fēng)速達(dá)到額定值13m/s時發(fā)出額定功率，此時風(fēng)葉轉(zhuǎn)向順流節(jié)距，已限制輸出功率，保證設(shè)備運(yùn)行壽命。

4 結(jié)語

(1)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各種結(jié)構(gòu)布置型式中，永磁式機(jī)組具有許多突出的優(yōu)點。由于世界上單機(jī)容量最大的3MW機(jī)組已經(jīng)成功運(yùn)行多年，5MW的機(jī)組也已經(jīng)完成技術(shù)設(shè)計，進(jìn)一步促進(jìn)了永磁電機(jī)快速發(fā)展的廣闊前景。

(2)在開發(fā)和運(yùn)行的過程中，嚴(yán)格按照永磁式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)組結(jié)構(gòu)型式和特色來操作，并不斷積累經(jīng)驗，就可以保證永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行壽命在30年以上。

(3)我國應(yīng)當(dāng)充分利用稀土金屬量大這個得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，大力發(fā)展永磁電機(jī)工業(yè)。

[1] 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點.大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)文集(D),哈爾濱大電機(jī)研究所，1996.

[2] 戴慶忠.超高壓永磁發(fā)電機(jī).超高壓電機(jī)文集(D)，哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，2004，1-5.