在可再生能源中，風力發電是世界上公認的最 接近商業化的可再生能源技術之一。風力發電不 消耗礦產資源，發電過程中對環境沒有破壞影響， 在強調可持續發展、保護環境的今天，風電已經成 為全球普遍歡迎的清潔能源。國際上風電技術的 創新很快，一方面裝機容量越來越大，另一方面不 斷采用新型機組結構形式和材料，最新主流技術為 變槳變速恒頻和無齒輪箱直驅技術。 目前世界上有多種型號的大型風電機組在商 業化運行，大體可分為三種類型：第一種是直接并 網定速異步風力發電技術，傳統風力發電機系統多 采用這種型式；第二種是變速恒頻雙饋風力發電技 術，這是新一代風力發電系統種應用最廣的機型； 第三種為變速恒頻直驅型風力發電技術，也稱直驅永磁同步風力發電技術，是第三代風力發電技術。
1、直驅永磁同步發電技術
直接并網定速異步風力發電技術和變速恒頻 雙饋風力發電技術(見圖 1)的共同點是風力機與發 電機之間采用齒輪箱相連。由于齒輪箱的存在，變 速恒頻雙饋風力發電機還存在碳刷和滑環，使得系 統成本高、可靠性差、維護量大、噪聲污染嚴重。并 且當其低負荷運行時，效率較低，特別是隨著單機 容量的增大，問題更加突出。因此，直驅和無刷化 越來越受到人們的關注，基于變速運行、變槳距調 節、低轉速、高效率、高功率因素的直驅永磁同步風 力發電技術(見圖 2)已成為研究開發與應用的熱點之一。

直驅永磁同步風力發電技術采用的發電機為 低速永磁同步發電機，且取消了風力機和發電機之 間的可靠性差的齒輪箱。當轉速變化時，發電機定 子輸出頻率也跟隨變化，通過功率變流器將定子發 出的變頻變壓的電能轉換與電網頻率幅值一致的 穩定電能。發電機采用永磁體結構，無需外部勵 磁，沒有電刷和滑環，簡化了系統結構，提高了可靠 性和發電效率，而且永磁結構比電勵磁結構更適合 做成多極低速結構，極距小、電機體積和質量相對 較小，大大減少了系統體積重量和成本，提高了可 靠性，同時，由于能量只從發電機流向電網，無需雙 向流動，因此功率變流器結構可以較為簡單。該系 統除可以實現變速恒頻控制外，也可靈活實現有 功、無功的解耦控制，而且發電機定子通過功率變 流器連接電網，具有更好的穩定性。
2、1.5MW直驅永磁風力發電機電磁設計
東方電機在大、中型常規電機的研發設計中具 有長期的積累和雄厚的技術實力，但在以永磁為特 色的新型、特種電機電磁設計上[1]，技術儲備相對 不足、參考機型很少，在這些不利條件下，針對 1.5MW永磁電機與常規電勵磁電機在電磁設計上 的差異性，結合其固有的技術特點，經過大量深入 細致的研究工作，同時充分吸收和借鑒在常規電機電磁關鍵問題研究的思路和成果，充分運用有限元 計算精度高與解析計算速度快的優點，提出了永磁 電機的電磁設計方法及電磁設計中若干關鍵問題 的處理技術。
2.1、主要參數
1.5MW 直驅永磁風力發電機主要參數如下：
額定功率 1650kW
額定電壓 690 V
額定電流 1580 A
相數 3
極對數 40
額定轉速 17.3 r/m
效率 94.5 %
防護等級 IP54
絕緣等級 F
工作制 S1 (連續工作制)
2.1、磁場分布優化設計
不同于常規能源，風能具有很強的隨機性，大 多數時間風力發電機只能夠運行在低負荷水平。 因此，對于優秀的電磁方案，不僅要合理優化分配 額定負荷的磁勢、磁勢分布，還要對不同負荷水平 下的磁場進行全面分析，達到成本與性能的合理匹 配(見圖 3、圖 4)。

2.2、磁路關鍵系數的有限元精確計算
磁路系數（如氣隙波形系數、漏磁系數、交直軸電樞反應系數等）的準確度很大程度上決定了設計 精度和電機的性能、成本。精確的磁路參數是設計 先進的必要條件。采用有限元計算，可以得到高精 度的磁路參數，再將其應用于磁路計算中，便能兼 顧設計精度與計算速度，非常適用于在新機型開發 時間緊的情況下，快速準確地開發出性能優良的電 磁方案。
2.3、電抗參數的精確計算
為實現風力發電機的矢量控制，需要提供準確 的直軸電抗參數 d 和交軸電抗參數 q。永磁電 機的磁路與常規電勵磁電機有一定不同，在負載運 行時，這兩個參數又受到氣隙磁勢、定轉子漏磁在 交直軸之間耦合交叉的影響，常規解析方法采用了 相當程度的簡化，誤差較大，需對這種特殊磁路帶 來的影響進行具體分析。研究中提出了更加精確 的電流—磁鏈回線法，用參數表示的回線去逼近有 限元計算的回線，特別適合在電機呈不均勻飽和狀 態下高精度求解。
2.4、電勢齒諧波優化 電機定子槽開口引起的氣隙磁導不均勻，因此產生齒諧波。齒諧波的存在不僅會使發電機的電 壓波形畸變率增大，還會引起附加損耗的增加，效 率下降。當電機采用整數槽方案，將會產生嚴重的 一階齒諧波。為削弱整數槽帶來的齒諧波影響，提 出了分段偏移磁極的方法，結合電磁場有限元仿 真，并通過樣機試驗結果進行驗證。

2.5、齒槽轉矩優化 齒槽轉矩是由永磁體與定子齒間作用力的切 向分量所形成。齒槽轉矩會帶來振動和噪聲，增大 傳動鏈疲勞效應，降低機組運行壽命。有針對性地 采用斜極和短距等綜合措施，在基本不增加電機材 料成本的情況下，大幅降低齒槽轉矩，優化電機性 能。
2.6、故障工況下的瞬態分析
發電機在故障狀態下的過渡過程，涉及到電機 對故障的承受能力及疲勞損傷程度。采用場路耦合 時步有限元法，充分考慮機械運動、材料非線性、轉 子渦流對瞬態過程的影響，提高電機運行壽命設計 的準確度，三相突然短路故障沖擊電流曲線見圖 5。

2.7、永磁體防失磁分析
永磁體是一種非線性材料。在一定溫度下，當 受到一個較強的反向磁場作用，使永磁體工作點落 在退磁曲線的拐點以下時，永磁體便會發生不可逆 退磁。引起永磁體發生不可逆退磁的因素與永磁體材料、磁化方向長度、溫度和外部故障磁場有關 [2]。通過三相短路時永磁體去磁磁場的計算與分 析，合理設計永磁體的厚度，達到在成本與安全性 的一個平衡點，永磁體工作點的選取見圖 6，三相 突然短路故障永磁體磁場分布見圖 7。

2.8永磁體渦流損耗分析
利用時步有限元法，對永磁體在空載、負載和 故障工況時的渦流損耗分布進行仿真計算，得出永 磁體在不同運行工況下渦流損耗的變化規律，并通 過合理分塊、分段、調整極槽配合等技術手段，有效 降低永磁體渦流損耗，降低永磁體運行溫度，確保 發電機具有優秀的工作性能和長期運行的可靠性。
3、1.5MW直驅永磁風力發電機結構設計
3.1、總體結構
大型風力機的轉速一般較低，約每分鐘幾十轉 甚至十幾轉。直驅永磁同步發電機直接與風力機 相連接，其轉速低、極數多，定、轉子尺寸大，呈扁平 狀結構，具有轉動慣量大的特點。發電機采用外轉子結構，結構緊湊，重量輕。主要由定子、轉子、軸 承、冷卻循環系統、定子主出線盒、輔助出線盒等組 成，發電機總裝配見圖 8。

3.3、定子裝配
整個定子由機座、鐵心和繞組等組成。機座為 高性能球墨鑄鐵件，具有很好的抗疲勞性，且較適 合批量生產的需要；定子鐵心采用高導磁、低損耗、 無時效優質硅鋼片沖制而成的定子沖片疊裝且設 有徑向通風溝以保證繞組散熱，彈性壓環裝壓結構 使鐵心在熱態和冷態下都處于壓緊狀態，保證運行 可靠性。
定子繞組采用圈式線圈，絕緣結構充分考慮了 變頻器高次諧波等影響，對匝間絕緣及對地絕緣進 行了加強。定子鐵心和線圈采用 VPI 真空壓力整 體浸漆，這樣既保證了電機的整體絕緣性能，又加 強了整體結構強度和傳熱效果。定子裝配見圖 9。

3.4、轉子裝配
轉子機座采用高性能球墨鑄鐵件，由轉軸與轉 子支架及磁軛一體鑄造成型后加工而成。 磁鋼采用高剩磁、高矯頑力、低失重釹鐵硼，完 全防止溫度及電機故障狀態下的外磁場退磁效應 （如三相短路等情況發生）。加強表面處理措施有 效防止鹽霧、潮濕環境對磁鋼的腐蝕，保證 20 年的 磁鋼使用壽命。轉子裝配見圖 10。

3.5、主軸承
軸承采用 2 個調心滾子軸承，驅動端為主要受 力軸承，非驅動端為浮動軸承，軸承采用自動注脂 潤滑，保證軸承良好運行，通過高導電碳刷削弱軸 電流的影響，主軸承結構見圖 11。

3.6、主軸
主軸材料為耐低溫鍛鋼 42CrMo4A，起到支撐 發電機及風輪的作用，同時也是軸承油室的重要組 成部分。對其進行了剛強度計算和疲勞分析，滿足 20 年安全運行要求。
3.7、剎車及鎖定裝置
采用液壓制動，并在剎車盤上設有鎖定裝置， 利于機組停機檢修和維護，其結構見圖 12。

3.8、冷卻系統
用空空冷卻器，僅有空氣一種介質參與熱交 換，從根本上消除了水的泄露問題且同樣可以保證 發電機運行系統的密閉性。空空冷卻器結構簡單， 利用空氣冷卻器進行熱交換，冷風穩定，溫度低，空 氣清潔干燥，延長絕緣壽命，安裝維修方便，便于運 行維護，見圖 13。

4、結 語
直驅永磁風力發電技術省去了維護成本較高 的齒輪箱，總體比較來看，其總損耗低、效率高、年 發電量高，但成本仍是制約其發展的關鍵因素。通 過對發電機進行優化設計，可以降低發電機的材料 成本，同時，隨著電力電子技術的發展，變頻裝置的 成本也在不斷降低。綜合考慮長期運行、維護等各 方面的成本，直驅永磁同步風力發電技術具有良好 的發展前景。 目前，國內外對直驅永磁風力發電技術的研究 具有以下趨勢： (1)研究并提出新型的定、轉子結構，優化極、 槽配合，定子超高壓，發電機大型化，提高系統的集 成度，降低成本[3]。 (2) 結合直驅風力發電機的特點，優化磁路結 構設計，推廣、應用性能優越的新型永磁材料。 (3) 改善大功率變頻電路拓撲結構；提高能量 轉換效率，削弱諧波影響，增強電磁兼容性。
QY-TF18型1KW永磁電機風力發電機并網實驗系統

總結

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