殷月月

（大唐河南清潔能源有限責(zé)任公司，河南三門峽472000）

直驅(qū)永磁式風(fēng)力發(fā)電機的探析

殷月月

（大唐河南清潔能源有限責(zé)任公司，河南三門峽472000）

文章通過對直驅(qū)永磁式風(fēng)力發(fā)電機的講解,重點闡述了直驅(qū)式與雙饋異步發(fā)電機之間的區(qū)別。不僅從緒論基礎(chǔ)上進(jìn)行簡單的總體介紹，涵蓋直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)及工作原理以及直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機的特點。

直驅(qū)永磁式風(fēng)力發(fā)電機；發(fā)電機特點；故障維修；雙饋異步發(fā)電機

直驅(qū)式（無齒輪）風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展開始于20世紀(jì)末期，受限于電氣技術(shù)和成本等原因，發(fā)展速率比較平緩。但隨著科學(xué)技術(shù)的變革，應(yīng)用領(lǐng)域不斷得到拓展，其優(yōu)勢才得到逐漸發(fā)揮。目前直驅(qū)式（無齒輪）風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，德國、美國、丹麥的技術(shù)持續(xù)走在前沿位置。

風(fēng)機市場的主要從20世紀(jì)末發(fā)生變革，具有無齒輪特性、還可以實現(xiàn)變速變槳距等優(yōu)點的風(fēng)力發(fā)電機應(yīng)勢而生，高產(chǎn)能、運行維護(hù)成本低的先進(jìn)機型有E-48、E-70、E-112等型號，單機容量從330kW瓦至2MW，生產(chǎn)于德國的ENERCON GmbH公司。此公司被譽為風(fēng)能產(chǎn)業(yè)研究和發(fā)展的推動基礎(chǔ)，作為全球研制兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機的領(lǐng)先企業(yè)，1993年開始大規(guī)模制造直驅(qū)式（無齒輪）風(fēng)力發(fā)電機。

1 概述

與原始的發(fā)電機相比，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機改變了沉重的增速齒輪箱模式，將發(fā)電機軸直接連接到葉輪軸上，使轉(zhuǎn)子隨風(fēng)速的大小發(fā)生改變，進(jìn)而實現(xiàn)交流電頻率的變化。在經(jīng)過置于地面的大功率電力電子變換器后，將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變成與電網(wǎng)同頻率的交流電輸出。

國際先進(jìn)的無齒輪箱直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機，多是采取低速多極永磁發(fā)電機，并使用一臺全功率變頻器將頻率變化的風(fēng)電送入電網(wǎng)。齒輪箱是發(fā)電機組成系統(tǒng)中最易損壞的部件，出現(xiàn)受載多大和損壞率高的狀態(tài)，頻率比較高且不宜進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)。因此，無齒輪箱類型的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機兼具在低風(fēng)速狀態(tài)下，始終保持超高的發(fā)電效率、低噪聲、高壽命以及低廉的運行維護(hù)成本等諸多優(yōu)點。

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

（1）結(jié)構(gòu)特點。直驅(qū)驅(qū)動式永磁發(fā)電機主要通過增加磁極對數(shù)從而使電機的額定轉(zhuǎn)速下降，減少了增速齒輪箱部件，其性能可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于雙饋。而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，風(fēng)輪直接驅(qū)動永磁風(fēng)力發(fā)電機，發(fā)電機輸出由可控硅整流后，再經(jīng)過逆變器將能量發(fā)送給電網(wǎng)或蓄電池。

圖1 直驅(qū)驅(qū)動式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

直驅(qū)系統(tǒng)包含風(fēng)力機（這里概括為：葉片、輪轂、導(dǎo)航罩）、變槳機構(gòu)、機艙、塔筒、偏航機構(gòu)、永磁同步發(fā)電機、風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)、變流器、風(fēng)機總控系統(tǒng)等部件。從部件放置的位置來說，交流器和風(fēng)機總控系統(tǒng)位于塔筒的底部，剩下的設(shè)備器件全部設(shè)置在塔頂。發(fā)電系統(tǒng)的能量傳遞和轉(zhuǎn)換路徑是通過利用風(fēng)力機將獲取的流動空氣的動能轉(zhuǎn)換成機械能，然后經(jīng)過直驅(qū)系統(tǒng)中的永磁同步發(fā)電機時，再將風(fēng)力機傳遞的機械能轉(zhuǎn)換為頻率和電壓隨風(fēng)速變化而變化的不控電能，變流器把不控的電能轉(zhuǎn)換為頻率和電壓與電網(wǎng)同步的可控電能并饋入電網(wǎng)，從而最終實現(xiàn)直驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)電并網(wǎng)控制。

（2）工作原理。直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機的基本工作原理，就是利用多極發(fā)電機與風(fēng)輪連接進(jìn)行驅(qū)動的方式，風(fēng)力帶動風(fēng)力機葉片旋轉(zhuǎn)，拖動直驅(qū)永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)發(fā)電。直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和籠型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類似，唯一的差別在于所采用的發(fā)電機為永磁式發(fā)電機，轉(zhuǎn)子本身就是永磁式結(jié)構(gòu)，不需另外設(shè)置勵磁電源，減少了功率損耗。而變頻恒速控制可以依據(jù)定子回路來進(jìn)行控制，將直驅(qū)永磁發(fā)電機變頻的交流電經(jīng)過變頻器轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)系統(tǒng)頻率相同的交流電，完成風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)功能，需要注意的是變頻器的容量與系統(tǒng)的額定容量相同。

3 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機特點

（1）發(fā)電效率高。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組由于缺少齒輪箱，大大減少發(fā)電過程中的傳動損耗，從而增加了發(fā)電效率，特別是在低風(fēng)速狀態(tài)的效果更加明顯。

（2）可靠性穩(wěn)定。齒輪箱作為整個發(fā)電系統(tǒng)中故障頻率最高的部件，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機直接簡化整個系統(tǒng)，由于缺少齒輪箱及其附件，整個發(fā)電機組的可靠性得到改善。發(fā)電機組在低轉(zhuǎn)速下狀態(tài)時，旋轉(zhuǎn)部件較少，可靠性更加趨于穩(wěn)定。

（3）系統(tǒng)的運行及維護(hù)成本低。采用無齒輪直驅(qū)技術(shù)直接減少了風(fēng)力發(fā)電機組零部件的種類與數(shù)量，可以省去齒輪箱油定期更換以及維護(hù)的費用，降低了系統(tǒng)的運行及維護(hù)成本。

（4）電網(wǎng)接入性能優(yōu)異。直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機組的低電壓穿越使電網(wǎng)并網(wǎng)點電壓跌落時，風(fēng)力發(fā)電機組能夠在一定電壓跌落的范圍內(nèi)實現(xiàn)不間斷并網(wǎng)的運行，從而維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

4 直驅(qū)式與雙饋異步發(fā)電機的差異性

4.1 部件的差異

（1）發(fā)電機類型。雙饋機組基本上特指雙饋式異步發(fā)電機，而直驅(qū)機組則多是對低速多極發(fā)電機的簡稱。發(fā)電機的勵磁方式常常以永磁和電勵磁進(jìn)行區(qū)分。勵磁發(fā)動機的生產(chǎn)企業(yè)中在全球活動范圍內(nèi)較為領(lǐng)先的是德國的Enercon公司，其產(chǎn)品份額一直保持在市場占有率百分之十左右。永磁發(fā)電機主要由中國的金風(fēng)和湘電兩家企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)。

直驅(qū)式發(fā)電機具有很多優(yōu)點，但是受轉(zhuǎn)數(shù)低且磁極數(shù)高的限制，通常保持磁極數(shù)在90極以上，造成體積和重量對比雙饋式機組顯得大了很多，需要嚴(yán)格把控軸承等轉(zhuǎn)動部件的質(zhì)量等級。相較于直驅(qū)式發(fā)電機，永磁材料在震動、沖擊、高溫情況下易出現(xiàn)失磁的現(xiàn)象；其生產(chǎn)材料中有鐵成分出現(xiàn)，處于海上強鹽霧的狀態(tài)下，將無法解決材料的防腐問題；此外，由于永磁材料存在永久的強磁性，操作過程中出現(xiàn)問題時無法給予及時的修復(fù)，需要進(jìn)行返廠處理，由于現(xiàn)場的無法及時的維護(hù)，給設(shè)備的運行造成極大的隱患。而雙饋式異步風(fēng)電機則具有技術(shù)成熟可靠，成本低，重量輕以及易維護(hù)等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中得到廣泛的普及，各個整機廠商也均采用雙饋式異步風(fēng)電機。

（2）變頻器類型。直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機機組一般使用全功率變頻器，容量非常大，由于成本較高價格昂貴，且在變頻器運行時產(chǎn)生的諧波大。對比情況下，雙饋式異步發(fā)電機機組充分利用轉(zhuǎn)差功率經(jīng)過變頻器實現(xiàn)雙饋發(fā)電機以小博大的優(yōu)點，雖然變頻器容量小但價格低，機組產(chǎn)生的諧波小，在實際操作中被廣泛應(yīng)用。

（3）齒輪箱的有無。直驅(qū)機組得驅(qū)動原理為風(fēng)輪直接帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，不需要齒輪箱作為中轉(zhuǎn)，直接減少了齒輪箱的機械故障，但風(fēng)輪與發(fā)電機直接銜接會增加葉片的沖擊載荷，并且將其直接傳遞到發(fā)電機上，加大了發(fā)電機發(fā)生故障的概率。雙饋機組采用齒輪箱將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行提升，增加了發(fā)電機的使用效率，加上齒輪箱技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，不易出現(xiàn)設(shè)備故障。

（4）發(fā)電機的接入性能。直驅(qū)永磁式風(fēng)力發(fā)電機在遇到機組突發(fā)性低壓時，整個網(wǎng)點的電壓處于低落狀態(tài)，可以進(jìn)行穩(wěn)定的不間斷的并網(wǎng)工作，有著較高的接入穩(wěn)定性。

4.2 運維情況與故障維修

（1）運維情況。從低風(fēng)速下的運行情況看，直驅(qū)式風(fēng)機不受運行轉(zhuǎn)速下限的限制，而雙饋式風(fēng)機存在著運行轉(zhuǎn)速的下限，所以從原理上來講直驅(qū)式風(fēng)機的切入風(fēng)速可以更低。但是，直驅(qū)式風(fēng)機所使用的全功率變頻器的損耗功率會出現(xiàn)過高的現(xiàn)象，一般情況下，全功率變頻器的容量大概是雙饋風(fēng)機中變頻器的三倍，所以變頻器的功率器件和冷卻等設(shè)備所消耗功率也要大很多。同時，風(fēng)電機組可以吸收的風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比，在低的切入風(fēng)速的狀態(tài)下無法充分利用風(fēng)能發(fā)電的原理。由此進(jìn)行綜合比較，在低風(fēng)速狀態(tài)下，雙饋式風(fēng)機和直驅(qū)式風(fēng)機的實際發(fā)電功率沒有較大的差異性。

（2）故障維護(hù)。直驅(qū)式風(fēng)機與雙饋式風(fēng)機在故障維修方面的差異性表現(xiàn)在故障率的概率問題。直驅(qū)技術(shù)由于沒有齒輪箱會減少相對應(yīng)的故障率，直驅(qū)電機和電力電子裝置成本高；直驅(qū)電機技術(shù)不成熟；為了讓風(fēng)速很低時直驅(qū)電機能夠發(fā)電，導(dǎo)致電機的級對數(shù)極多，一般都超過100對，使發(fā)電機的體積很大，容易出現(xiàn)磨損，加上永磁場的存在，無法在機組現(xiàn)場進(jìn)行維護(hù)，一旦發(fā)生故障就要將整個機艙進(jìn)行返廠，拆卸和安裝成本太高。而雙饋機型可以單獨對齒輪箱、發(fā)電機等部件單獨維修，其維護(hù)的成本與難度要低于直驅(qū)機型。

5 結(jié)語

直驅(qū)永磁式風(fēng)力發(fā)電機為采用永磁發(fā)電機且風(fēng)輪與電機直接耦合的風(fēng)力發(fā)電機，改變了傳統(tǒng)模式下沉重的增速齒輪箱。永磁直驅(qū)發(fā)電機這個名詞代表著在傳動鏈中不含有增速齒輪箱，鑄造鋁鎳鈷是將融化的金屬合金澆筑到模具里，然后通過熱處理加工。由此鑄造出來的磁鐵呈現(xiàn)為暗灰色外觀和粗糙表面。經(jīng)過磨加工的鋁鎳鈷產(chǎn)品表面具有類似鋼鐵般光亮的外觀。鋁鎳鈷磁鐵可以在高溫下工作。Alnico5在工業(yè)上運用最為廣泛，可用于機械、電機、儀表、傳感器設(shè)備、吸力件等等。Alnico8和Alnico9具有更高的矯頑力，形狀以圓柱和扇形為主，通常用于高科技領(lǐng)域，比如說石油勘探，航空航天等。眾所周知，為了實現(xiàn)發(fā)電機的并網(wǎng)必須滿足相位、幅頻、周期同步，鑒于我國的電網(wǎng)頻率為50Hz，這就充分說明發(fā)電機需要發(fā)出50Hz的交流電。根據(jù)轉(zhuǎn)速、磁極對數(shù)與頻率的關(guān)系式n=60f/p，可以得出：當(dāng)極對數(shù)恒定時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速是一定的。所以，一般雙饋風(fēng)機的發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速為1800r/min，電機通過增加磁極對數(shù)來實現(xiàn)降低電機的額定轉(zhuǎn)速，不需要增速齒輪箱進(jìn)行驅(qū)動，故名直驅(qū)。齒輪箱作為風(fēng)力發(fā)電機組最容易出故障的部件，因缺少了這部分構(gòu)件，永磁直驅(qū)的運行可靠性要高于雙饋。

殷月月（1992-），女，吉林通化人，大學(xué)本科，主要研究方向：風(fēng)力發(fā)電。