1500风机双馈与直驱

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1、双馈与直驱风力发电机组是将风能转化为电能的机械。从能量转换的角度 来看，风力发电机组包括风力机和发电机两大部分。其中风力机是将 风能转换为机械能，发电机则是将机械能转换为电能。风力发电机组有多种分类方法，从转速的角度分为高速机、中 速机和低速机；从桨叶和速度控制方式上分有定浆、变浆、定速、变 速四种组合；从控制方式上可分为失速控制、主动失速和变桨距控制。 从发电机励磁方式可分为永磁式、电励磁、复合励磁式；从电机的结 构和机电能量转换关系上又可分为：同步电机、异步电机、感应电机； 从发电机输出电压的角度分为高压电机、低压电机、超高压电机。从 发电机组的输出电功率可分为小型、中型、大型、特大型系列

2、，其中 小型风力发电机容量为1lkW,中型风力发电机为1001000kW,大 型风力发电机为1000kW以上的机型。风力发电机组还有水平轴机型与垂直轴机型之分，水平轴风力 机的叶片是安装在水平轴上，叶片接受风能转动去驱动所要驱动的机 械。水平轴风力机分多叶片低速风力机和13 个叶片的高速风力机。 水平轴风力发电机是目前世界各国风力发电机最为成功的一种形式， 而生产垂直轴风力发电机的国家很少，主要原因是垂直轴风力发电机 效率低、需启动设备，同时还有些技术问题尚待解决。 此外，根据使用的场合大型和特大型风力发电机又分为陆地型和海上 型，目前，陆地型的主流机组发电功率为600kW2500kW，而海上

3、型 的主流机组应在1500kW以上。迄今为止世界各国并网的绝大多数的 风力发电机组都是陆上水平轴的机组。1 、风力机兆瓦级水平轴风力机由叶片、轮毂、转桨距装置、风罩等构成。 其中叶片又是风力机的关键部件，叶片不仅决定了风力机组的切入风 速、切出风速、额定风速、额定功率等重要参数，其造价也达到了风 力发电机组总造价的18%以上，为风力发电机组所有部件之最。叶片的翼型就是翼剖面，它是指用垂直于叶片长度方向的平面 去截叶片而得到的截面形状，翼型的曲线形状非常复杂，是一种难以 用函数方程表达的曲线，美国国家航空咨询委员会（NASA的前身） 和前苏联的中央气体流体动力研究院都通过实验确定出了适合各种 不

4、同用途的翼型，分别给予编号，供日后设计者使用。为了充分利用 风能，通常都是叶片翼型都是扭曲型，叶片翼型是沿叶片长度而扭转 一定角度，使得叶片翼型各处的安装角不一致，其角度由叶根至叶尖 逐渐减小，使各处都处在最佳迎角状态。此外，一种叶片在其不同的 位置其翼型也是不一致的，随桨叶的长度不同叶片的实度等参数一直 在发生变化，因此，叶片的翼型是由一个族的曲线形状构成的。目前，叶片翼型最常用的是Naca族，这些翼型有四位数翼型和 五位数翼型两种编号，其中四位数翼型，第一位代表用弦长百分数表 示的弯度；第二位代表最大弯度所在的弦向位置（用10%弦来计量）； 后两位为最大厚度和弦长之比（用弦长的百分数表示）

5、，在此族中这一 最大厚度在弦长30%处。这一弯曲的弦线被称为弯度线，由两段抛物 线弧段在最大弯曲点处光滑过渡连接组成。如NACA 2412其含义第 一位数值2 表示最大相对弯度为2%；第二位数4 表示最大弯度位于 翼弦前缘的40%处；末两位数12 表示相对厚度为12%。四为数翼型最 大厚度一般在离前缘的30%弦长处，已取得实验数据的有相对厚度为 6%、8%、9%、10%、12%、15%、18%、21%、24%，相对弯度为0%、1%、 2%三种，中弧线最高点位置均在 4%弦长处。四位数对称翼型通常用 在尾翼上。而五位数翼型如 NACA 23012，表示意义第一位数是机翼 的升力系数2X3/20=

6、0.3； 30表示最大弯度相对位置的百分数2倍， 即最大弯度相对位置在15%弦长处；最后两位数12 表示最大相对厚 度为12%。设计出的每一种翼型都有自己的尺寸坐标和气动特性图，风吹 在翼型上时会使翼产生升力和阻力，翼型的空气动力学特性的好坏直 接影响风力发电机组的性能，这就要求翼型有一个合适的升阻比，兆 瓦级水平轴风力机翼型的升阻比在50100之间。对于每一个翼型来 说，升力系数和阻力系数取决于雷诺数和迎角的大小，升力是随迎角 的增加而增加，而阻力则是随迎角的增加而减小。当迎角增加到某一 个临界值时，升力突然减小而阻力急剧增加，此时风轮叶片突然丧失 支承力，这种现象称为失速。利用失速原理开发

7、出的失速型翼型，可以使风力机功率保持在 额定值附近，以确保发电机不会随着风速的增大而产生过载。在理想 情况下，功率应该随着风速增加到最大值，然后无论风速怎么增加都 保持恒定，但实际上这是无法达到的目标。失速控制最大的优点是简 单，但缺点也是明显的，叶片进入失速后，风力机的功率输出非常不 稳定，会导致功率损耗；同时叶片还具有低振动阻尼，低阻尼可引起 较大的位移振幅，产生较大的弯矩和应力，引起叶片疲劳损坏。叶片的桨距角对于功率输出的影响非常大，并且反应灵敏。在一 定的风况条件下，通过对叶片桨距角的调节，使设计的风轮运行在最 佳风能捕获状态。通常叶片总是设计成扭转形的，在叶片的不同位置 其桨距角并不

8、是恒定不变的，当风轮开始旋转时，通过转桨距装置变 桨，采用较大的正桨距角可以产生一个大的启动力矩。在风轮转动的 过程中，为了获得最大的效率，需要主动进行桨距角控制以保持叶尖 速比恒定，在额定风速以上运行时，则是通过调节桨距角来影响叶片 进入失速状态的程度，通过减少功角来减少叶片上的升力的方法使转 速保持恒定。停机时则是使用 90的桨距角，使风轮的空转速度最 小。变桨距控制现在是大型风力机主要控制方式，但缺点是可靠性差 和成本高。风轮的基本几何尺寸与特性参数主要有：叶片数、风轮直径、叶 尖速比等。对于大型水平轴风力机来说叶片数通常都是采用2或3片 叶片。叶片数的选择与风轮的实度密切相关，而叶片实

9、度对风力机的 功率特性又有极大的影响。通常叶片数越多其风轮的实度也就越大， 3 叶片可以得到最佳的实度，但是2 叶片也是另一种可以接受的方案， 虽然此时的功率系数Cp的最大值稍微低一点，但峰值的展开范围要 宽，因而可以捕获到更大的能量输出。但是2 叶片风轮叶片与轮毂之间的联接要采用摆动结构，也就是 俗称的翘板式结构，此时两叶片要安装在摆动铰链上，这是为了防止 运行时不同叶片根部的面外弯矩的上升。由于叶片上的气动载荷差异 会造成风轮对摆动轴的角加速度，而同时由离心力所产生的恢复力矩 可制止大幅度摆动，通过摆动铰链可以使风轮的载荷减少，可以部分 消除叶片因受到外部因素引起的平面外弯矩的周期性变化，

10、减少风轮 平面外载荷作用于主轴上的等价破坏载荷。对于风轮直径和额定功率最佳关系，主要取决于风力机所在的风 场的风况、地理位置、交通条件等。风电场年平均风速与低风轮的直 径成反比，如相同额定功率的情况下IECII类风场比III类风场风轮直 径要小。叶尖速比与额定转速和风轮直径存在密切的关系，叶尖速比 的范围通常选定在58之间；由于风力机产生的气动噪声与叶尖速 度的5 次方成正比，因此，限制风力机的额定转速在大多数情况下都 是非常必要的，陆上风力发电机组的叶尖速度通常限制在65m/s左 右。此外，转速的增高会使叶片的重量成比例地增大，并进而增加了 叶片的制造成本，因此，必须在叶片与传动链、机舱和塔

11、架的成本之 间选择一个折衷的方案。、水平轴风力发电机的叶片设计目前普遍采用的是动量叶素理 论，主要的方法有Glauert法，Wilson法等。风轮叶片在半径r处 的一个基本单元称叶素，叶素（BEM）理论是在科学和工业领域最常用 的一种数学模型，该理论不仅用于风电机组叶片的设计，也可以对风 电机组的表现进行评价（在设计中和设计后）。利用完善的理论模型， 可以进行叶片设计，确定风轮的几何参数（风轮直径，气动翼形，弦 长，变浆角和扭转角），估算叶片受力，确定风轮主轴的转矩和功率 输出；也可以在宽风速范围内对风轮表现进行评价。叶素理论是在Glauert推进理论的基础上,进行修正而用于风电 领域的。近期

12、BEM理论被不断的改进和优化以提供更加精确的结果。 目前，风力机叶片的气动设计方法主要依据简化风车模型与叶素、 Glauert旋涡理论，在利用叶素理论时，最困难的步骤是升阻力系数 的正确表示。对于一个风轮仿真来说，确定升阻力系数是从风洞试验 测量开始的。而在仿真过程中，考虑叶片长度方向的空气流动十分必 要的，这种现象在叶型的风洞试验中并不出现。在流体动力学风机设 计上，使风能利用系数Cp最大化是设计中最基础也是最重要的工作， 目的是从风中获得最大的能量。对于风轮直径小于50 米的风力机，风轮的气动弹性是不成问题 的。然而，叶片的摆振在大叶片中已引起过大问题，这种不稳定性的 机理现正在研究之中。

13、工程上的处理方法是在叶片中调整阻尼器，阻 止不稳定的发生。由于风力机尺寸的不断增大，风力机的气动弹性不 稳定性也变得越来越重要。叶片的自然飞舞频率是随尺寸的增加（相 应叶片变得较柔性） 而下降。一般情况下，如果这种频率不和其它自 然频率或激振频率发生作用，增加柔性可用来降低叶片的内部载荷。 风力机所有的激振频率基本上都与风轮的转动角频率2有关。叶片的 摆振频率和飞舞频率与风轮转速和风轮半径R的关系。随着风轮 半径的增加，无因次摆振频率保持不变， 而无因次飞舞频率增加。 叶片的外形设计与制造，最佳桨距技术及独立变浆系统是旋转部分的 关键技术。风轮空气动力学现在仍有些问题没有完全搞清楚。特别是 叶

14、片的失速和偏航流动，物理模拟不够，解释也多种多样。关于这个 问题的研究也取得了一些进展，但有关的试验数据不多。现在利用计 算流体动力学(CFD)解基本Navier2Stokes方程的方法正取得一定 的进展，但很缓慢。要用 CFD 来设计风轮，估计还得几年的时间。 在这方面， CFD 软件 Fluent 也许能发挥一定的作用。现在还没有 一个风轮设计工程师可以保证他所设计的风轮特性和他计算的完全 一样。在水平轴风力发电机的结构中，叶片材料，现在通常采用高强 度低密度的复合材料，通常都是使用玻璃钢复合材料制成的，虽然碳 纤维更适合用来制作叶片，但由于将大大增加制造成本，只有在特殊 的情况下得到运用

15、。叶片制造过程中大量使用了增强材料，包括单向 玻璃纤维织物、双轴向玻璃纤维织物、三轴向玻璃纤维织物等，与之 配套的工艺方法，使叶片的机械强度和抗疲劳能力得到显著的提高。2、风力发电机兆瓦级的风力发电机属于特大型风力发电机，对于这种风力发电 机常将其分成以下三类：双馈式、直驱式和混合式，其中双馈式风力 发电机组的特点是采用了多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电机， 1/3 功率变频上网，转速高，转矩小，重量轻，体积小；直驱式风力 发电机组则取消了增速齿轮箱，采用低速同步发电机，全变流上网。 混合式是在单级增速装置的基础上加多级同步发电机技术，这种设计 融合了双馈式和直驱式机组的优点，在转速和转矩之间

16、找到了一个平 衡点。混合式风力发电机也要求全功率逆变器，现多采用一级增速加 双馈异步发电机或永磁同步发电机，一般均为中速机。目前先进的风力发电机产品中的典型技术方案，不外乎双馈异 步风力发电机和无齿轮箱变速永磁同步风力发电机二种，二者各有优 劣。此外，无刷双馈式异步发电机也是一种非常值得关注的机型。 1、双馈式异步发电机双馈式异步发电机实际是异步感应电机的一种变异，这种发电 机始于上世纪80 年代，日本日立公司、东芝公司和前苏联在这种发 电机的研制和开发中都作出了显著的贡献。目前美国GE能源、EMD； 德国VEM Sachsenwerk GmbH LDW；瑞士 ABB等公司的很多风力发电 机产

17、品，采用变速双馈风力发电的技术方案。我国北车集团永济电机 厂、甘肃兰州电机有限责任公司、四川东风电机厂有限公司、淄博牵 引电机集团股份有限公司、山西汾西重工有限责任公司、大连天元电 机有限公司等企业也都先后研制成功了兆瓦级双馈式异步发电机。 目前，市场占有率最高的双馈变速恒频风力发电机组，其风轮桨距角 可以调节，同时发电机可以变速，并输出恒频恒压电能，效率较高。 在低于额定风速时，它通过改变转速和桨距角使机组在最佳尖速比下 运行，输出最大的功率，而在高风速时通过改变桨距角使机组功率输 出稳定在额定功率。这种形式的性价比和效率均较高，逆变器功率较 小。调速范围达到30%额定转速，变流的容量只有系

18、统容量的30%左 右，变速恒频驱动和 MPPT 控制，有功、无功功率可独立进行控制。双馈异步发电机在结构上与绕线式异步电机相似，定子、转子均为三 相对称绕组，转子绕组电流由滑环导入，定子接入电网，电网通过四 象限 AC-DC-AC 变频器向发电机的转子供电，提供交流励磁。但存在 滑环和变速箱的问题，对电网的冲击较大。双馈式异步发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从 定子输出的功率和通过双向励磁变频器从转子输出的功率。正因为其 定子和转子两侧都有能量的馈送，所以称其为双馈式发电机，其中带 滑环的双馈式电机被称之为有刷双馈发电机。交流励磁有刷双馈异步 发电机原理图如图2 所示。双馈异步发电机

19、通常为 4 极或 6 极，转速为 1500r/min、 1000r/min,如此高的转速是通过多级增速齿轮箱来实现的。 双馈式电机分笼式和绕线式两种。但是，由于笼式感应发电机的调速 性能较差，其调速范围很窄，一般均在5%以内，无法最大限度地利 用风能，且要吸收电网无功功率，只在一些小功率的机组上得到应用。 在兆瓦级风力发电机组中多选用绕线转子感应异步发电机，这种发电 机在结构上与绕线式异步电机相似，由绕线转子异步发电机和在转子 电路上带交流励磁器组成，定子、转子均为三相对称绕组，双馈式电 机的转子多采用波绕组短距线圈，这样有利于节约连接线用铜，并能 有利于削弱输出电能中的谐波分量。在结构上，由

20、于风力发电机对外壳防护等级要求为IP54（全圭寸 闭），而其工作环境相对较为恶劣，因此，电机的散热是非常重要的， 现主要采用两种方式，一种是风冷却，另一种是强制水冷却。在风冷 却中又分为空冷和空-空冷却，前者是在电机的外壳表面带散热筋加 外风扇；而空-空冷却器主要由进气箱、循环风机、冷却风机和冷却 器组成。采用高性能螺旋槽管，换热管布置采用多M型和整流、导流 结构，使冷却器迎风面流速均匀，采用内外双层壳体，钢制或铝制无 缝钢管。双馈式异步发电机的变速运行是建立在感应电机基础上的，感 应电机一般都用作电动机，只是在特殊的情况下才用作发电机。感应 电机是利用电磁感应原理，通过定子的三相电流产生旋转

21、磁场，并与 转子绕组中感应电流相互作用产生电磁转矩，以进行能量转换。正常 情况下感应电机的转子转速总是略低或略高于旋转磁场的转速（同步 转速），我们将转子转速n与同步转速ns的差值定义为转差，转差与 同步转速之比的百分值定义为转差率。感应电机有电动机、发电机和电磁制动三种运行状态，在作电动 机运行时，异步电动机转子的转速只能是略低于同步转速，此时产生 的电磁转矩与转向相同，转差率0。而作发电机运行时，转速总是 略高于同步转速，其电磁转矩的方向与旋转方向相反，转差率0, 发电机的功率随该负转差率绝对值的增大而提高。由于风能的不稳定性和捕获最大风能的要求，发电机转速是在不 断的变化，而且经常在同步

22、转速上、下波动，为了实现风力机组的最 大能量的追踪和捕获，满足电网对输入电力的要求，风力发电机必须 变速恒频运行。在变速恒频风力发电机中，跨越同步速是变速恒频双 馈风力发电机励磁控制关键技术之一。这要求转子交流励磁电源不仅 要有良好的变频输入、输出特性，而且要有能量双向流动的能力。现 有的技术是采用IGBT器件（绝缘栅双极晶体管）构成的PWM（脉宽调制） 整流一PWM逆变型式的AC-DC-AC变频器作为其励磁电源，向发电机 的转子绕组提供励磁电流，对定子实现定向矢量控制。控制电流由滑 环导入，实现亚同步、同步和超同步运行方式之间的转换，采用这种 技术的双馈式异步发电机其转速控制范围可达到同步转

23、速的60%。为 了获得较好的输出电压电流波形，输出频率一般不超过输入频率的 1/3。其容量一般不超过发电机额定功率的 30%，通常只需配置一台 1/4 功率的变频器。根据双馈式异步发电机数学模型和交流电机矢量变换控制原 理，可设计出交流励磁变速恒频发电机定子磁链定向的矢量变换抑制 系统，系统采用双闭环结构，外环为功率控制环，内环为电流控制环。 整个控制系统可分为三个单元，它们分别接受风速和转速信号，有功 功率指令和无功功率指令，并产生一个综合信号送至励磁控制装置， 改变励磁电流的大小，频率和相位满足系统控制的需要。根据双馈式 异步发电机数学模型和发电机的功率方程可知：有功功率、无功功率 分别与

24、定子电流在m、t轴上的分量成正比，调节转矩电流分量和励 磁电流分量可分别独立调节有功功率和无功功率。调节有功功率可调节风力机转速，进而实现最大风能捕获追踪 控制。当双馈发电机的转子绕组通过三相低频电流时，在转子中会形 成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度与转子的机械转速相叠 加，使其等于定子的同步转速，从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。当风速变化时，转速随之而变化，相应地改变转子电流的频率和旋转磁场的速度，就会使定子输出频率保持恒当发电机的转速低于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于亚同步 速运行，为了保证发电机发出的频率与电网频率一致，需要变频器向 发电机转子提供正相序励磁

25、，给转子绕组输入一个其旋转磁场方向与 转子机械方向相同的励磁电流，此时，转子的制动转矩与转子的机械 转向相反，转子的电流必须与转子的感应反电动势反方向，转差率减 小，定子向电网馈送电功率，而变频器向转子绕组输入功率；当发电 机的转速高于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于超同步速运行，为 了保证发电机发出的频率与电网频率一致，需要给转子绕组输入一个 其旋转磁场方向与转子机械方向相反的励磁电流，此时变频器向发电 机转子提供负相序励磁，以加大转差率，变频器从转子绕组吸收功率； 当发电机的转速等于气隙旋转磁场的转速时，发电机处于同步速运 行，变频器应向转子提供直流励磁，此时，转子的制动转矩与转子的 机械

26、转向相反，与转子感生电流产生的转矩同方向，定子和转子都向 电网馈送电功率。其中有功功率指令和无功功率指令的产生步骤是：分别设定有 功功率和无功功率的参考值，并与转子电流反馈量比较或获得转子电 压指令，经旋转变换就得到发电机转子三相电压控制量。 并网操作是变速恒频双馈风力发电机励磁控制需要解决的另一关键 技术。当风力发生变化发电机组突然切出时会对电网的冲击较大，一 般规定发电机与电网的电压差不超过5%10%，频率差不超过0.1 0.5%,冲击电流控制在额定电流的1.252倍以内。直接并网和降压 并网的方式都存在不足之处，采用电力电子器件的软并网是目前大型 异步风力发电机组并网的优选方式,可解决并

27、网过程中的电流冲击和 电压波动问题。现有的双馈式异步发电机发出的电能都是经变压器升 压后直接与电网并联,加之在转速控制系统中采用了电力电子装置, 会产生电力谐波。同时发电机在向电网输出有功功率的同时,还必须 从电网吸收滞后的无功功率,使功率因数恶化,加重了电网的负担。 因此必须进行无功补偿,提高功率因数,通常都是在风电场母线集中 处安装电容器组,但这种补偿方式受电容器的级数和容量等的制约, 无法实现最佳补偿状态。目前,一种基于电力电子逆变技术的无功补 偿装置静止同步补偿器很有可能将取代传统的电容器补偿方式。拥 有电力电子变换器的系统能够提供充足的无功控制,充分满足发电机 的无功需求,即在任何负

28、荷情况下维持发电机输出的功率因数不变, 类似于静态无功补偿使电网的电压稳定。值得指出的是,通过适当的 无功控制,由无功不平衡而引起的电压波动能够被消除,从而能够降 低其对电网的影响。矩阵变换器是种交交直接变频器,由9 个开关组成,矩阵 式变换器没有中间直流环节,功率电路简单、紧凑,可输出幅值、频 率、相位和相序均可控的电压,谐波含量较小。变换器的输入功率因 数可控,可四象限运行,适合变速恒频双馈风力发电系统。矩阵变换 器具有上述优点,但其换流过程不允许两个开关同时导通或同时关断，实现比较困难，故其在变速恒频双馈风力发电系统中的应用还处 于研发阶段。有刷双馈发电机存在滑环和变速箱的问题，运行可靠

29、性差，需 要经常维护，其维护保养费用远高于无齿轮箱变速永磁同步风力发电 机，并且这种结构不适合运行在环境比较恶劣的风力发电系统中。近 年来国内外风力发电机组故障率最高的部件当数齿轮箱，而齿轮箱的 故障绝大多数是由于轴承的故障造成。 齿轮箱的效率可通过功率损失计算或在试验中实测得到。功率损失主 要包括齿轮啮合、轴承摩擦、润滑油飞溅和搅拌损失、风阻损失、其 它机件阻尼等。齿轮的效率在不同工况下是不一致的。风力发电齿轮 箱的专业标准要求齿轮箱的机械效率应大于97%，是指在标准条件下 应达到的指标。2、直驱式永磁同步发电机所谓“同步”发电机，就是指发电机转子磁场的转速（原动机产 生）与定子磁场的转速（

30、电力系统频率决定）相等。这种无齿轮箱变浆 距变速的风力发电机组，其风轮轴直接与发电机联接。根据励磁方式 的不同，这种低速同步发电机可分为永磁式、电励磁和混合励磁式三 类，永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，取消了容易出 故障的转子上的集电环和电刷装置，成为无刷电机，不存在励磁绕组 的铜损耗，比同容量的电励磁式的发电机效率高，结构简单，运行可 靠；复合励磁永磁发电机采用稀土永磁和辅助电励磁相结合的复合励 磁结构，兼顾了稀土永磁发电机和电励磁发电机的优点，解决了原有 稀土永磁发电机的调压难题；而电励磁式的则需要外部提供励磁电 能。但是，目前电励磁和混合励磁式方式的同步发电机在风力发电机 组

31、的运用范围非常有限。永磁同步发电机从结构上可分外转子和内转子两种，外转子内 圆上有高磁能积永磁材料拼贴而成的磁极，同时转子旋转时的离心 力，使得磁极的固定更加牢固。由于转子直接暴露在外部，所以散热 条件比较好。但相同功率和极数的外转子永磁同步发电机其体积要比 内转子的大很多。内转子永磁同步发电机的转子上装有多个永磁磁极、定子上有 扇形冲片叠成的定子铁芯及定子线圈。由于转子在发电机的内部，散 热条件较差，但相对于外转子发电机其体积要小很多。这种风力发电机要求全功率变流器，在与电网合闸前，为避免 电流冲击和转轴受到突然的扭矩，需要满足一定的并联条件，端电压、 频率与电网必须相同。要求发电机具有高质

32、量地将风能转化为频率、 电压恒定的交流电，高效率地实现机电能量转换。永磁直驱式风力发电机其特点是电机转速低，极数多，结构简 单，无变速箱，可靠、长寿命，低噪声，大功率，无滑环，安装和维 护费用低。但不足之处是体积大，有失磁之忧，且转子的制造难度比 较大。同时这种风力发电机制造成本较高，是双馈变速恒频机的1.3 倍。德国埃纳康(EnerconGmbH)公司在1993年研制成功了直驱式 风力发电机，1997 年将产品推向了市场，这些高产能、运行维护成本低的先进机型有E-33、E-48、E-70等型号，已开发了容量为330kw、800kw、900kw、2000kw 和 2300kw 的多种机型。20

33、00 年，瑞典 ABB 公 司成功研制了 3 兆瓦的巨型可变速风力发电机组，其中包括永磁式转 子结构的高压风力发电机 Windformer ，该机高约 70 米、风扇直径 约90米。2003年，日本三菱重工完成MWT-S2000型风力发电机的研 制工作，这种直驱式风力发电机组采用的是永磁同步电机。 2004 年 德国西门子公司通过收购世界著名的丹麦Bonus Energy (柏纳斯)公 司也开发了直驱式风力发电机。目 前， 还 有荷 兰 Windbrokers 公 司 ，荷 兰 Emergya Wind Technologies NV(EWT)、德国 Innovative 公司，德国 Vens

34、ys 公司、 德国 Avavtis 公司、瑞典的 ABB 等公司，韩国 Unison 公司和国内的 新疆金风科技股份有限公司、湖南湘电风能有限公司、东风汽轮机厂、 上海万德风力发电股份有限公司、广西银河艾万迪斯风力发电有限公 司、常州新誉风力发电设备有限公司、哈尔滨电站设备集团公司、中 国运载火箭技术研究院、江西麦德风能股份有限公司等都在研制直驱 式风力发电机。新疆金凤科技股份公司已在2006 年与德国 Vensys 公司合作研 制出 1.5 兆瓦直驱式风力发电机。 2007 年湘潭电机集团与日本原弘 产株式会社合资组建的湖南湘电风能有限公司，并在2007 年 11月成 功完成了 2 兆瓦直驱

35、式永磁风力发电整机机组试车；广西银河艾万迪 斯风力发电有限公司与德国AVAVTIS公司联合研制的2.5兆瓦直驱变 桨风力发电也将于2008 年下半年完成样机。永磁电机的性能、设计特点和应用范围都与永磁材料的性能密切相 关。因此，永磁材料的选取非常重要，在进行材料的选取时，通常要 从以下几个方面进行考虑：为获得足够高的功率密度，永磁材料应具有足够的剩磁密度、磁 感应强度、矫顽力及最大磁能积；永磁材料应具有较好的磁性能，包 括热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。尤其是直驱式永 磁同步发电机的损耗较大，温升较高，因此应选择工作温度点高的永 磁材料，使得发电机工作在永磁材料退磁曲线的直线部分；

36、经济性要 好，价格便宜。发电机常用的永磁材料有铝镍钴、铁氧体、稀土钴和 钕铁硼。铝镍钴永磁材料的显著特点是温度系数小，剩余磁感应强度较 高，但是矫顽力很低，退磁曲线呈非线性变化。铁氧体价格低廉，矫 顽力大，抗去磁能力强，密度小，退磁曲线接近于直线。缺点是剩磁 密度不高，最大磁能积较小，环境温度对磁性能的影响大；稀土钴的 特点是剩余磁感应强度、磁感应矫顽力及最大磁能积都很高。退磁曲 线基本上是一条直线，抗去磁能力强，缺点是材料硬而脆，抗拉强度 和抗弯强度均较低，仅能进行少量的电火花和线切割加工，而且价格 较昂贵。钕铁硼是目前磁性能最好的永磁材料，价格也比稀土钴便宜得多。钕铁硼磁性材料牌号有：3

37、0N52；0H50H； 30SH50SH； 28UH 40UH； 30EH35EH 等。钕铁硼永磁材料突出优点在于最大磁能积高，而不足之处则是其 居里温度较低，一般为310410C。居里点或居里温度是指材料可 以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里点温度时该物质成为 铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点温度时, 该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。 此外，这种材料的温度系数较高，在高温下使用磁损失较大。因此， 钕铁硼永磁材料的最高工作温度较低。一般为80C左右，在经过特 殊处理的磁铁，其最高工作温度也只能是 240C。 如果永磁同步发 电机通风系统出

38、现问题，过高的温度会造成永磁材料磁性能降低，甚 至不可逆去磁。除此之外钕铁硼永磁材料的抗氧化和表面处理也是不可忽视的 问题，由于这种材料含有大量的铁和钕，非常容易被氧化，目前常用 的涂层有环氧树脂喷涂、电泳和电镀等，一般涂层厚度为1040 “ m。 不同涂层的抗腐蚀能力不一样，其中环氧树脂涂层抗溶剂、抗冲击抗 盐雾腐蚀的能力良好；如果只是采用电镀法是很难保证材料的使用寿 命，比如，钕铁硼镀镍，宏观看，表面闪闪发光，但用显微镜观察， 却是千疮百孔。因此，水份照样可以渗入内部，使钕铁硼氧化，磁性 能下降。因此在定购材料时应要求生产厂家采取各种工艺措施来防止 氧化，尽量提高永磁体的密度以减少残留气隙

39、来提高抗腐蚀能力，同 时在成品表面采用环氧树脂电泳处理。由于采用了高性能的钕铁硼材料，永磁发电机的结构发生了变 化。高性能的电机要求各个对称的磁极磁性能高度一致，然而由于制 造工艺和监控手段的限制，产品的一致性是不太容易保证的，在大部 分情况下只能通过检测筛选的方法来解决这一问题。因此，在磁性材 料的选择，磁化工艺和永磁材料抗去磁，寿命稳定性检测和在运行或 失效的情况下如何防止消磁等方面均必须采取有效的措施。由于风力发电机要求满足防尘防水的要求，发电机必须制成全密 封型，保证发电机在任何时候，内部都不会进水。这样发电机内部便 不能通风，发电机定子的散热就存在一定的困难。在磁路设计时要选 择合适

40、的永磁体的工作点，并经过模拟环境带负荷连续运行试验，使 发电机冷、热态电压偏差在技术条件规定的范围内。待发电机温度恢 复到常温时，测量电压同试验前一致，不出现不可逆的退磁现象。除 此之外还要充分考虑到了特殊工况时产生的反向磁场对磁体的退磁 作用，设计上通过计算，选取的永磁磁钢各项性能参数，能保证在过 载、短路、雷击时永磁体工作点在拐点之上，永磁磁钢不会产生永久 退磁现象。通常选用NNF35SH永磁材料，这种材料的剩磁Br=T、矫 顽力Hcb=kA/m、内禀矫顽力Hci2kA/m、最大磁能积BHmax=kj/m3, 工作温度TwW150C。尽管永磁电机已经过了几十年的研究，但其设计至今还没有一套

41、 系统的公式和经验曲线作为依据。变速恒频风力发电系统中的直驱永 磁风力发电机的外形尺寸大、工作转速低，通常是一种扁平状的结构， 因此，唯一可借鉴的是与其工况相类似的水轮发电机，水轮发电机的 设计和制造技术都是非常成熟的，其不少经验对于直驱永磁风力发电 机的设计是非常有益和必须的。根据水轮发电机的设计方法，只要确定了容量、极距和极对数可 以计算出电机的主要尺寸如定子铁心内径、铁心长度。不过直驱永磁 风力发电机的结构与水轮发电机不尽相同，因此这些尺寸只能作为参 考尺寸。永磁磁钢厚度对电机的性能影响是比较大的，主要表现在三个方 面，首先磁钢厚度会影响气隙磁密的大小，磁钢较厚，气隙磁密就会 加大，功率

42、密度就会加增大；其次会影响到电机抗去磁能力的强弱， 磁钢较薄，所能提供的磁动势就会小，当去磁磁势较大时，就有可能 造成磁钢的局部不可逆去磁；磁钢厚度还会影响到电机成本，永磁材 料的制造工艺复杂，成本较高，过多的采用会增加电机的制造成本。 磁钢厚度的确定主要还是依据全电流定律，对一个极的磁路积分，定 转子轭磁压降、定子齿部磁压降和气隙磁压降都可以根据相应欲设的 相应磁密来确定，而这些磁压降之和就是永磁材料一个极所能提供的 磁势，此磁势与磁钢厚度和永磁材料的矫顽力有关，永磁材料的矫顽 力是由材料特性决定，并最终决定了磁钢的厚度，在使用高性能钕铁 硼的兆瓦级直驱永磁风力发电机通常选择在1826mm。

43、与宽度的比 值通常为 0.37。极弧系数是指一个极距下永磁磁极所占有的宽度。极弧系数的大 小对电机的电压波形、转矩纹波和漏磁系数影响很大，对于面装工的 转子磁极，极弧系数过大，会造成感应电势三次谐波分量的增加，从 而引起转矩波动的损耗的增加，同时极间漏磁也会上升。对于取什么 样的极弧系数才能提供适当的电压波形和降低转矩纹波，这要根据电 机的其它参数来综合考虑。总的来说，永磁同步电机的极弧系数要比 电励磁的凸极电机稍高，一般在0.650.8之间。面装式永磁同步电机的气隙密要比普通同步电机的气隙磁密大， 通常达到 0.8T 以上，这也体现了永磁电机高功率密度的特点。每极每相槽数对电机性能影响很大。

44、选择分数槽绕组能够显著 的改善电动势波形，降低谐波的含量，但是由于分数 绕组磁势中含 有分数次谐波，容易和主极磁场作产生干扰力，甚至引起定子铁心的 共振，所以有时侯也选用整数槽绕组。多极低速的永磁风力发电机， 其定子内径不可能非常大，而槽宽有限，这就使得永磁电机的槽数不 可能太多，从而也限制了每相槽数不会太多。但是如果每极每相槽数 取值接近于1 时，则电压谐波和齿槽定位转矩会较大，因此，兆瓦级 直驱永磁风力发电机的每极每相槽都要大于1，一般选为1.25，这样 能很好的利用分数槽限制电势谐波的作用，使谐波含量很小，而齿槽 定位转矩也不是很大。在一般情况下，同步发电机的极限电磁功率主要由永磁材料的

45、 磁性能决定，也与电机体积、极对数、电流频率以及负载功率因数有 关，还受转子结构及加工工艺的影响。3、无刷双馈电机无刷双馈异步电机是在级联式(cascade)双馈拖动系统的基础 上发展而来的，由英国学者Hunt L.J和Broadway A.R在1997年提 出的。从结构上这种电机可认为是由两台绕线式三相异步电机组成， 一台作为发电机，其定子绕组与电网连接，另一台作为励磁电机其定 子绕组通过变频器与电网连接。两台电机的转子为同轴连接，转子绕 组在电路上相互连接，因而在转子转轴上没有滑环。实际上的无刷双 馈异步电机其定子上有两套极数不同的绕组控制绕组和功率绕组， 变频器的直流侧与控制绕组相连，交

46、流侧与功率绕组相连，通过特殊 的控制方式，该电机可实现发电机有功功率和无功功率的独立控制， 这种异步电机弥补了有刷双馈电机的部分不足。功率绕组和控制绕组有单绕组和双绕组两种形式，其优缺点分 别为：(1) 双绕组方案 当定子功率绕组和控制绕组为两套独立的绕组 时，采用各自的分布和短距绕组，可以使两套绕组均具有较高的绕组 系数，可以有目的地消除某些谐波的影响，使绕组设计具有较大的选 择余地。因此，绕组的设计具有很大的灵活性，这是无刷双馈电机在 定子绕组设计中最为简单的一种方法。但是，采用该类绕组方案时， 每槽中往往采用四层绕组，槽的利用率低，从而导致电机材料的有效 利用率降低。(2) 单绕组方案

47、当定子功率绕组和控制绕组为一套绕组时，可 以大大提高电机槽的利用率，从而大大提高了电机材料的有效利用 率。但是，单套绕组方案由于兼顾功率绕组和控制二者的性能，特别 是要求该套绕组在连接成功率绕组和连接成控制绕组时要保持各并 联支路均具有相同的电动势，从而限制了绕组设计的灵活性，另外， 绕组节距的选取也要受到限制。无刷双馈电机的转子是一种特殊的笼型结构，也可以是磁阻式 结构，或者是集笼型和磁阻式优点为一身的混合式结构。但无论哪种 结构，其作用都是通过限定磁通路径，以产生交直轴方向的磁阻差别， 从而使功率绕组和控制绕组产生的不同极数的气隙磁场得以调制。两 定子绕组就是以转子为中介相互作用着，同时耦

48、合着具有不同极数的 两套定子绕组，在电机中起着“极数转换器”的作用，这相当于在同 一转子上分别感应不同对极的频率。因此，无刷双馈电机的转子直径 比较大，要满足风力发电机对于恒频恒速的要求，尚有一定的困难 图5 示出一种无刷双馈电机的转子结构示意图。无刷双馈电机的尺寸计算、电磁负荷计算、槽型的设计和配合 等部分，与普通异步电机的电磁设计相似。由于无刷双馈电机电磁关 系的特殊要求，定子绕组、转子绕组以及极对数等必须进行特殊设计 功率绕组和控制绕组极对数（pp+pc）的大小决定了电机的速度范围, 当（pp+pc）确定后，在具体设计功率绕组和控制绕组极对数pp和 pc 时，还应充分注意以下几方面：（1

49、）为了消除两个定子绕组间的电磁作用，极对数应满足不等 的条件； （2）由不同极数的定、转子磁场相互作用会产生径向拉力 和脉动电磁转矩，电机的振动与噪声较大。当极对数pp和pc相差越 大时，越能降低振动与噪声。（3）转子电流产生的磁场需要转换成 不同极对数（pp和pc）磁场。它们是依靠产生谐波磁场来实现的， 为了产生较强的对应谐波磁场，极对数pp和pc最好满足3倍关系， 定子绕组设计的关键是合理选择绕组节矩和绕组形式。在无刷双馈电 机中，定子绕组会感应基波电势和高次谐波电势；另外，功率绕组和 控制绕组的基波磁场会在对方绕组中感应互感电势。这些高次谐波电 势和互感电势会增加电机的电磁损耗，不利于电

50、机正常运行。为了减 小高次谐波和互感电势，定子绕组可以采用双层短距分布的绕组形 式。由于三相绕组采用“Y”接可以消除三次及其倍数的谐波。同时， 控制绕组在功率绕组的互感，也相当于三次谐波，利用绕组纽”方 式也可以消除。设计绕组节距主要考虑削弱5、7 次谐波。功率绕组 和控制绕组在定子槽中的分布应利用 60相带划分功率绕组和控制 绕组各相在定子槽中的位置。定子的功率绕组和控制绕组共嵌于同一定子铁心中，它们所形 成的磁场共用同一磁路，电机的输出电磁功率也由两个绕组共同承 担。因此，合理地设计两个绕组的容量，是决定电机性能指标的重要 因素。当电机在双馈运行方式下，系统需要进行调速控制时，需要调 节控

51、制频率，同时控制绕组产生的电磁功率将会变化。因此，控制绕 组容量应该与所需要的最大电磁容量相等，根据调速范围计算。当电 机变频电源发生故障时，电机应该可以断开控制绕组电源，由功率绕 组单独异步运行。因此，功率绕组额定容量应该等于额定输出容量。 由无刷双馈电机的工作原理可知，定子极数不同的空间磁场是通过转 子耦合，与转子电流的磁场相互作用产生电磁转矩。转子磁场需要进 行极数转换才能与定子磁场匹配。因此，转子结构应该具备“极数转 换器”的功能，其转换作用的强弱直接影响着电机的性能。普通笼型 转子的转换作用很差，不利于电机运行。而闭环结构笼型转子其极数 转换作用很强，是现在普遍使用的一种转子结构。普

52、通感应电机定子励磁电流建立的气隙磁场在鼠笼导条中感应 的电流分布极数与定子相同。然而，无刷双馈电机的转子中需要产生 不同极数的磁场，因此转子电流分布不能与定子其中一个的极数相 同。无刷双馈电机转子绕组的转差功率是通过气隙传给控制绕组， 并反馈给电网，转子电流与控制绕组中的电流相互作用产生电磁转 矩，因而在运行中能量得到充分利用。这种电机用于双馈调速时，是通过改变控制绕组三相励磁电流 的相序和频率保持发电机输出电压和电流的频率保持不变。控制绕组 电路的功率为转差功率，如调速范围在30%左右时，则控制绕组所接 的变频器容量仅为电机功率的15%-30%。特别是在中型功率交流调速 传动系统，双馈电机定

53、子绕组直接接3KV、6KV、10KV的工频电网， 而控制绕组可设计为低压，这样可采用低压变频装置，因而可大大降 低变频装置成本，减少谐波对电网污染的影响，提高其运行可靠性。 双馈电机调速运行时，调节控制绕组电路的电流相位，可发出无功功 率，其负载转矩会随着转速减小，就是在轻载时可保证双馈电机向电 网按某种规则控制无功功率，改善电网的功率因数，降低线路损耗和 无功补偿装置的投资。此外，无刷双馈电机无集电环和电刷，因而运 行可靠性高，又可减少维护保养费用。因此，与其他交流调速传动系 统相比，具有无可比拟的优势。此外，无刷双馈电机特别适合用于多 极低速发电机，是变速恒频风力发电机的一种优势机型。无刷

54、双馈电机多数采用基于快速高精度数字信号处理器 (DSP) 的控制策略，其实现是以软件为基础，除了系统模拟信号的检测外， 不需要其他辅助的控制电路。DSP根据所要求的有功功率和无功功率 以及所采取的控制策略，由测量的电机功率绕组电压和电流、变流器 直流侧电压以及电机转速计算出对副绕组双向变流器应当施加的控 制信号，通过脉宽调制(PWM)驱动电路控制变流器的输出。直流侧电 压的测量用于电机超同步运行时控制绕组能量的回馈。我国学者宁玉泉提出一种双馈变速凸极同步电机的设计方案， 这种电机定子与普通交流电机定子结构相同，由电枢铁芯和定子绕组 构成，具有P对极，它由对称三相工频电源馈电。转子为凸极结构,

55、转子磁极上装有励磁绕组和阻尼绕组，阻尼绕组与传统凸极同步电机 纵横轴阻尼绕组相同，具有mXP对分裂凸极磁极，其励磁绕组由m 相各P对极励磁绕组组成，m相励磁绕组在空间上相差360 /m电 角度分布，励磁绕组分别由时间上相差360 /m电角度的低频交流 变频电流源馈电，从而产生圆形的旋转磁场。这种电机的关键在于将 气隙磁场同步旋转速度与转子旋转速度分离。在转子m相绕组中，通 以交流变频电流，产生旋转速度为转子旋转速度与转子绕组产生的相 对转子运动的圆形旋转磁场速度之和。当改变交流变频电源频率时， 转子旋转速度将发生相应的变化；或者当转子旋转速度发生变化时， 相应地改变转子绕组的交流变频电源频率、

56、即转子绕组产生的相对转 子运动的圆形旋转磁场速度，从而改变凸极同步电机的旋转速度，实 现同步电机变速。4、其他机型除了上述的一些机型外目前还有以下一些技术方案。半直驱式：采用单级齿轮箱和中速发电机，是直驱式和传统型风 力发电机的混合。混合型风力发电机也要求全功率逆变器。现多采用 一级或两级增速双馈异步发电机或永磁同步发电机，一般均为中速 机。齿轮增速比在1： 71: 40之间，与直驱式比较可减小发电机的 体积，但是这种机型仍需要全功率变流，对整机的制造成本、维护成 本和可靠性还有待进行全面的评价。多发电机型：是风轮通过齿轮箱的多个输出轴，带动多个发电机 来运行。当风速较低时只有一台发电机工作，

57、随着风速的提高逐步增 加工作发电机的数量，这种机型发电机控制方式是其关键技术。 异步鼠笼发电机四象限变流器：通过改变定子侧同步频率的方式实 现并网发电，无滑环，可靠运行，长寿命，适用于海上运行，价格低 廉，低速时可电动运行。液压传动型：这种形式的发电机安装在地面上， 风轮带动液压 泵产生的能量经过转换后驱动发电机，发电机采用四极无刷励磁，这 是风力发电机的一个发展方向。但在压力传输和轴承设计制造 方面仍存在一些技术问题需要解决。此外，中速半直驱永磁发电机组、高速永磁发电机组、中速、高 速电励磁式同步发电机组、直驱型电励磁式同步发电机组、复合励磁 发电机组等方案也浮出水面。一些更新的技术方案如高效异步发电 机、超导同步发电机等也处于研究探讨中。