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永磁同步发电机在兆瓦级风电中应用 作者：傅德平 … 文章来源：《风电设备》杂志10号刊 点击数：727 更新时间：2007-10-22 13:44:56 傅德平1 张艳竹2 傅文铎2 1.哈尔滨理工大学电机与电器学院2哈电风电设备有限公司 摘要：永磁直驱式风力发电系统省去了齿轮箱，综合驱动式只有低速级齿轮箱，这两种永磁风力发电机不需要励磁绕组和直流电源，没有励磁损耗，也不需要滑环炭刷，结构简单、运行可靠、效率高。高性能永磁材料和电力电子技术的发展，以及大功率变流装置的出现推动了永磁同步发电机在风电领域的应用。 大型直驱风力发电机结构布置型式分内转子型和外转子型，它们各有特点，已经广泛应用在风力发电机组上。永磁发电机在设计和制造中采用合理结构和工艺，防止退磁，改善电压波形、减少齿槽转矩。同时要对机组的振动、强度和刚度进行核算，增加机组的稳定性，发电机出厂前要进行全面型式试验。 关键词：风电设备 永磁发电机 一、引言 随着现代工业的飞速发展，人类对能源的需求明显增加。而可利用的矿物质能源有限，且对大气污染严重，水环境恶化。如何保证能源，经济和社会的可持续发展，利用可再生能源，成为当今社会的重要课题。 自20世纪70年代以来，风力发电已经成为世界各国更加重点开发的可再生能源。单机容量已达兆瓦级，并正在向更大单机容量发展。当今大型风力发电机的风轮主要以水平轴为主。而水平轴兆瓦级的风力发电机驱动和发电机型式主要有三种： 1 、高速齿轮箱驱动双馈交流发电机型：风轮经齿轮箱提速至1000—1500转/分、驱动双馈交流发电机，定子通过断路器与电网连接，绕线型转子通过四象限变流器与电网相连，变流器对转子励磁进行调节，保证定子侧同电网恒频，恒压输出。同步速之下，转子励磁输入功率，定子侧输出功率，同步速之上，转子和定子均输出功率，所以称双馈运行。 2、直接驱动型：永磁发电机直接与风轮转子耦合，无须增速齿轮箱。发电机输出功率经全功变流器与电网连接运行发电。 3、综合驱动型；中速永磁发电机经单级型齿轮驱动，升速比在1：7.5左右，发电机转速在150转/分左右，综合驱动型优点是剔除了齿轮箱的高速级部分，发电机的尺寸和重量保持在合理的范围内，但仍存在低速级齿轮箱存在故障和可靠性问题。中速永磁同步发电机输出与全功率变流器连接并网发电。综合驱动型永磁发电系统，见图（一）： 二、永磁同步发电机在风力发电机组取得广泛应用 近年来高性能永磁材料和电力电子技术的发展，大功率变频装置的出现，推动了大型永磁同步发电机在风电领域的应用。目前许多风电制造厂商在兆瓦级直驱和混合驱动型风力发电机组中采用了永磁同步发电机。 永磁直驱和综合驱动型风力发电机组适应在恶劣环境下运行，且有可靠性高、运行、维护简单，受到风电场运营商的欢迎。市场占有率正在大幅增长，是风电很有发展前景的两种机型。 1、直驱型永磁发电机组，因为取消了齿轮箱，没有传动磨损和漏油所造成的机械故障，提高了机组的可靠性和寿命，减少了齿轮传动机械需要润滑，清洗等定期维护工作。 2、机械部件传动的减少，降低了机械损耗，提高风电机组效率，同时也降低了风力发电机组的噪音。 3、取消了齿轮箱，传动轴，机组水平轴方向长度大大缩短，增加机组稳定性。 4、永磁同步电机与电励磁同步发电机和双馈型交流发电机相比，不用外接励磁电源，没有集电环和电刷，简化了结构，提高了可靠性和机组效率。 5、直躯式永磁发电机外围面积大，易散热。由于没有电励磁，转子损耗近似为零，可采用自然通风冷却，结构简单可靠。 6、发电机功率因数高，其值接近或等于1，提高电网运行质量。 三、大型直驱风力发电机的结构布置形式 1、内转子型：是一种常规发电机的布置形式。中国哈电风电公司，采用内转子型，即风轮驱动发电机转子，永磁钢安装在转子体上，发电机定子为电枢绕组，经全功率变流器与电网连接，直驱内转子型永磁发电系统，见图（二）： 这种方式发电机电极绕组和铁芯通风冷却好，温度低，定子外径尺寸小，易于运输。 2、外转子型：风轮与发电机外转子耦合，直接驱动旋转，永磁体安放在外转子体内圆周边，发电机定子