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

郭政建+冀飛鶯

摘 ?要：永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要包括四種類型，即低速、中速、高速直驅(qū)與高速雙饋驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，并且不同類型的性能和特點(diǎn)不同，文章分析了永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，并探析了其發(fā)展趨勢，以供參考。

關(guān)鍵詞：永磁電機(jī);風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng);應(yīng)用;發(fā)展

中圖分類號(hào)：TM273 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-8937（2016）03-0046-02

全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，對(duì)天然氣、煤炭、石油等不可再生資源的需求量不斷增加，上述資源的過度開采和利用，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞和污染，資源儲(chǔ)量也在快速降低，為了實(shí)現(xiàn)人類和環(huán)境的和諧發(fā)展，必須將能源和環(huán)境提到日程中。風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能的一種新型技術(shù)，永磁電機(jī)具有運(yùn)行可靠、效率高、功率密度大等特點(diǎn)，其在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠有效的提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)水平和效率。因此，文章針對(duì)永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用和發(fā)展的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 ?永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1 ?風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的類型及特點(diǎn)分析

從發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)來看，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括四種類型，即低速直驅(qū)永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、中速半直驅(qū)永磁風(fēng)機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、高速永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、高速雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。四種不同類型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)表現(xiàn)為：

1.1.1 ?低速直驅(qū)永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

低速直驅(qū)永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所示，兆瓦級(jí)直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有繞組匝數(shù)多、頻率低、極數(shù)多、直徑大、轉(zhuǎn)速低等特點(diǎn)，因此中速永磁電機(jī)和高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)存在差異，其中低速永磁電機(jī)的體積較大，材料用量較大，尤其是永磁材料的用量較大，其價(jià)格昂貴，會(huì)增加成本。

因此，基于成本考慮，低速直驅(qū)永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面：①電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)該采用橫向磁通結(jié)構(gòu)、軸向磁通結(jié)構(gòu)以及徑向磁通結(jié)構(gòu)三種;②冷卻方式設(shè)計(jì)，通常在定子機(jī)殼外增加散熱筋，能夠進(jìn)行自然風(fēng)冷;③電磁負(fù)荷設(shè)計(jì)，應(yīng)該嚴(yán)格控制定子繞組電流密度，不能過高，防止繞組匝數(shù)過多增加電能損耗。

1.1.2 ?中速半直驅(qū)永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

? 中速半直驅(qū)永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所示，該種類型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相對(duì)靈活，設(shè)計(jì)難點(diǎn)包括發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速、運(yùn)行速度范圍兩個(gè)方面，通常狀況下，中速半直驅(qū)永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用以及或者二級(jí)增速機(jī)構(gòu)。

1.1.3 ?高速永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

高速永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，如圖1所示，該種類型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：降低電機(jī)重量與體積，有效提高電機(jī)功率密度;降低轉(zhuǎn)子鐵耗與銅耗，既能夠提高電機(jī)運(yùn)行效率，又能夠節(jié)約成本;取消電刷、集電環(huán)，提高了電機(jī)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。例如，某企業(yè)生產(chǎn)的1.5 MW高速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，電機(jī)重量為5 t，尺寸為2 500×1 700×1 800 （mm），而同功率的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)重量為6 t，尺寸為3 150×1 600×1 850（mm）。

1.1.4 ?高速雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

高速雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，如圖2所示，該種類型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)定子繞組電壓頻率受電網(wǎng)頻率影響，只有確定額定轉(zhuǎn)速，才能夠確定電機(jī)的極數(shù)。在額定轉(zhuǎn)速下，高速永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電流頻率較高，所需功率較小，并且成本較低。但是，轉(zhuǎn)子損耗較高，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，在設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮。1.2 ?不同類型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能比較分析

1.2.1 ?成本對(duì)比分析

不同結(jié)構(gòu)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同，其制造成本也存在一定差異。但是受原材料、加工費(fèi)、市場物價(jià)等眾多因素的影響，不同結(jié)構(gòu)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成本難以準(zhǔn)確的對(duì)比，通常從以下幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比：發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，在系統(tǒng)總成本中占據(jù)非常大的比例，以某2 MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為例，發(fā)電機(jī)成本占總成本的25%、風(fēng)力機(jī)成本為29%、電控/變流器成本占15%、驅(qū)動(dòng)鏈的成本為12%、變壓器成本占2%;高速永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總成本比低速直驅(qū)永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低34%。

1.2.2 ?運(yùn)行可靠性對(duì)比分析

由于無變速箱、無集電環(huán)電刷，四種不同結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性由高至低依次為：低速直驅(qū)永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、中速半直驅(qū)永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、高速永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、高速雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

1.2.3 ?發(fā)電量對(duì)比分析

以2 MW發(fā)電機(jī)為例，四種不同結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)平均發(fā)電量由高至低依次為：中速半直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（104.4%）、低速直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（103.0%）、高速永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（101.7%）;高速雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（100%）。

2 ?永磁電力風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢分析

2.1 ?電機(jī)控制技術(shù)

永磁電力風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展方向，主要集中在提高機(jī)組效率、電能質(zhì)量以及運(yùn)行可靠性方面，從發(fā)電機(jī)控制、功率變換控制方面來看，采用多繞組、多相結(jié)構(gòu)，既能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，又能夠保證電機(jī)的出力。

2.2 ?電機(jī)冷卻技術(shù)

近年來，電機(jī)冷卻技術(shù)研發(fā)非常活躍，電機(jī)冷卻技術(shù)發(fā)展主要包括以下幾個(gè)方面：高溫超導(dǎo)技術(shù)，該種技術(shù)主要是基于低成本高溫超導(dǎo)線材發(fā)展也興起的，目前尚處于實(shí)驗(yàn)階段;蒸發(fā)冷技術(shù)，具有電機(jī)效率影響小、增加電流密度、銅耗少等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 ?電機(jī)制造工藝

電機(jī)制造采用模塊化方向發(fā)展，主要是因?yàn)樵摲N制作方式具有便于制造、運(yùn)輸、現(xiàn)場安裝以及檢修等。

2.4 ?電機(jī)結(jié)構(gòu)型式

未來電機(jī)結(jié)構(gòu)型式主要向以下幾個(gè)方面發(fā)展：組合式永磁電機(jī)，提出了多轉(zhuǎn)子、多定子的橫向磁通、軸向磁通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，顯著提高了功率密度，減小電機(jī)體積;無鐵芯定子永磁電機(jī)，能夠降低電機(jī)噪聲與振動(dòng)、消除齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、降低電機(jī)重量。

3 ?結(jié) ?語

總而言之，永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型眾多，永磁用力發(fā)電機(jī)技術(shù)逐漸向組合化、結(jié)構(gòu)形式多樣化、制造工藝模塊化等風(fēng)向發(fā)展，不斷的提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和效率。

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