直驱永磁同步发电机的特点及其在风电中的应用前景

直驱永磁同步发电机的特点及其在风电中的应用前景华北电力大学徐中华摘要：本文主要从应用的角度，对直驱永磁发电机的原理和结构进行了简单描述，重点分析了直驱永磁发电的优点。通过和其它典型发电机组的比较，着重强调了直驱永磁发电机在风电应用中的优势，并对其以后的市场应用前景进行了理论分析。同时，本文也对直驱永磁发电机的不足之处，提出了解决的可行办法。关键词：直驱永磁变速恒频齿轮箱永磁材料低电压穿越一、引言随着全球化石能源的枯竭和供应紧张以及气候变化形势的日益严峻，世界各国都认识到了发展可再生能源的重要性，风能作为清洁可再生能源之一，受到了各国的高度重视，世界风电产业也因此得到了迅速发展。中国风能资源十分丰富：陆上和近海可供开发和利用的风能储量分别为2.53亿千瓦和7.5亿千瓦,具有发展风能的潜力和得天优厚的优势。在未来的能源市场上，充分开发和挖掘这一潜力和优势，将有助于持续保持本国的能源活力和维持经济的可持续发展。在开发利用风能的过程中，风电场的建设是其必须的环节，而风电机组的应用又是建设风电场的重中之重。本文将就这一话题，着重讨论一下最新型的直驱永磁发电机(DDPMG)的特点，并以双馈感应发电机(DFIG)为参照，分析其目前的应用现状和展望其未来的发展前景。二、原理概述及结构介绍(一)原理概述永磁同步发电机转子上使用的是永磁材料励磁，没有励磁绕组，省去了励磁绕组的铜损耗；同时，发电机和风力机通过轴系直接耦合在轮毂上，由叶轮直接驱动发电，不需要齿轮箱等中间传动部件。永磁同步发电机经背靠背式全功率变频器系统与电网相连，通过变频器控制系统的作用，来实现风电机组的变速运行。(二)结构介绍直驱永磁同步风力发电系统主要包括桨距控制式风力机、永磁同步发电机、背靠背全功率变频器以及控制系统等四大部分，其基本结构如图1所示。其中背靠背全功率变频器系统又可以分为：发电机侧变频器（generator-sideconverter）、直流环节（DC-link）和电网侧变频器（grid-sideconverter）。桨距控制式风力机和永磁同步发电机直接耦合，发电机的输出经发电机侧变频器整流后由电容支撑，再经电网侧变频器将能量馈送给电网。永磁同步发电机整流器滤波器IGBT逆变器控制器运行状态检测电网图1直驱永磁发电机组结构图三、目前风电市场上主流发电机组及应用介绍面对现代风力发电系统不断向大型化和变速变桨矩方向发展的要求，当今风电行业普遍采用的是变速恒频的发电技术。而在采用这一技术的风力发电机组中，最常见的就是直驱式永磁同步发电机和双馈式感应异步发电机。(一)双馈感应发电机的应用现状双馈感应技术经过十多年的发展，已趋向成熟且成为了目前风电行业的主流技术。在国际上，双馈感应电机被Vestas，Siemens,Repower等全球主要大型风电机组生产商广泛采用；在国内，以华锐风电为代表的一批龙头风电企业，也把开发发展带齿轮箱的先进成熟、安全可靠的变桨变速的双馈发电技术作为企业的主要战略方向。(二)直驱永磁发电机的应用现状直驱发电机在时间上和双馈发电机大约同时出现，但长时间以来相对后者一直发展较慢。但随着双馈发电机缺点的不断显现，和直驱永磁技术的不断改进，直驱永磁发电机获得了跨越式快速发展，在陆地项目中不但得到了广泛的应用，而且在海上机组中也开始崭露头角，大有迎头赶上并超过双馈发电机的势头。采用直驱永磁发电技术的代表企业有德国的ENERCON公司和国内的金风科技及湘电风能等公司。四、DDPMG的主要比较优点(一)DDPMG与DFIG的各自特点介绍1.双馈感应电机的特点介绍双馈感应异步发电机经过十多年的发展，已形成先进成熟，安全可靠的技术优势，在当前的风电行业中居于主流地位。在国内，随着以华锐风电5MW系列风电机组的研制成功和并网发电，其具有的单机功率大，单位面积装机容量大，风能利用效率高和经济效益好等优点，更是占领了电网友好型的高台；特别是对于技术水平、稳定性及可靠性要求更高的海上机组，在直驱永磁发电机未完全发挥出优势之前，带增速齿轮箱的双馈发电机似乎更是当之无愧的选择。2.直驱永磁发电机的优势介绍尽管双馈发电机目前占据着市场的绝大部分份额，它的缺点却是不容忽视的。很多中外风电设备制造企业和运营企业，经过多年的艰辛运营不免发现，双馈电机的升速齿轮箱不但效率低，而且故障率高，维修困难，其费用占整个风电设备的比例高达12.9%之多.而直驱式永磁同步发电机免齿轮箱，免转子励磁的特点，则良好地解决了这个问题。特别是直驱永磁发电机具有的优越的低电压穿越能力，为电网的友好运行和未来风电机组的大面积并网，提供了良好的基础。（二）DDPMG与DFIG主要性能比较总的来说，直驱永磁发电机较双馈异步发电机的主要优势总结如表1所述。表1直驱永磁发电机与双馈异步发电机比较表性能永磁直驱式与双馈式风机比较分析电网兼容性永磁风机更强具有优越的低电压穿越能力，可在电网干扰期间内保持接入电网，对电网冲击小。可靠性永磁风机更可靠直驱永磁风机省去了齿轮箱及其部件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性。防护等级永磁风机更高机舱、发电机、轮毂采用内正压技术，可有效防止潮湿、盐雾、沙尘的进入，防护等级高。发电效率永磁风机更高采用叶轮直接驱动发电机发电，无需电励磁，减少了电能损耗；同时，没有齿轮箱等中间部件，传动链短，减少了传动损耗，提高了发电效率。维护成本永磁风机较低采用无齿轮直驱技术，减少了风力发电机组零部件数量，避免了齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护的成本。从表1可以看出，直驱永磁发电机主要有低电压穿越能力强，发电效率高，维护成本低等优点，下面我们将就此从理论上具体分析一下直驱永磁风机的优势。五、DDPMG的应用前景探讨直驱永磁发电机的诸多特点，特别是其卓越的电网友好型低电压穿越能力，以及发电效率高，未来长期总经济成本向好的优势，使得其在风电机组的发展及风电场的建设中有着广阔的发展前景。（一）低电压穿越能力分析1.低电压穿越（Lowvoltageridethrough）概念低电压穿越，是指在风力发电机并网点电压跌落的时候，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。2.DDPMG的低电压穿越技术当电网发生故障引起电压跌落时，会给风电机组带来一系列暂态过程（如转速升高、过电压和过电流等），当风电在电网中占有较大比例时，机组的解列会增加系统恢复难度，甚至使故障恶化。因此目前新的电网规则，要求当电网发生短路故障时风力发电机组能够保持并网，甚至能够向电网提供一定的无功功率支持，直到电网恢复正常；这个过程被称为风力发电机组“穿越”了这个低电压时间（区域）。图2是Ｅ．ＯＮ（德国能源公司巨头）标准中规定的风力发电低电压运行能力曲线。图2Ｅ．ＯＮ标准中规定的风力发电低电压运行能力曲线从图2中可以看到，仅当电网电压在数值或时间上处于图示曲线下方区域时，风机才允许解列；而在曲线上方区域时风机应该保持并网，并向电网提供无功功率支持，直到电网恢复。对于直驱永磁风机来说，发电机经由全功率整流器通过交－直－交转换接入电网，发电机和电网不存在直接耦合。电网电压的瞬间降落会导致输出功率的减小，而发电机的输出功率瞬时不变，将导致功率不匹配引起直流母线电压上升，威胁到电力电子器件安全。如果采取措施稳定直流母线电压，又会导致输出到电网的电流增大，同样会威胁变流器的安全。但是当变流器直流侧电压在一定范围波动时，电机侧一般都能保持可控性，在电网电压跌落期间电机可以保持很好的电磁控制，所以直驱永磁同步发电系统的低电压穿越相对容易。（二）发电经济性分析DDPMG组省去了成本较高的齿轮箱，但需要全额变频装置。下表为以3MW机组为例，进行的DDPMG和3极齿轮箱驱动的DFIG经济性能的比较。从中可以看出，直驱风机发电机组在总损耗、效率、年发电量等方面具有明显优势，唯一不利的因素是其成本，在目前来说依然偏高。但是，通过对发电机进行优化设计，可以降低发电机各方面的材料成本；同时，随着电力电子技术的发展，变频装置的成本也会不断降低，这些都是可以实现的。所以，综合考虑长期运行和维护等各方面的成本，DDPMG依然具有良好的发展前景。比较因素DFIGDDPMG总成本/kEuro18701982总损耗/MWh763513年发电量/MWh77308040单位成本年发电量/(kWh/Euro)4.134.05表2DDPMG和3极齿轮箱驱动的DFIG经济性比较表(注：1Euro约合8.7RMB)六、DDPMG的不足及解决办法通过以上分析，我们已经知道，直驱永磁发电机（DDPMG）携众多优势，在未来的风电发展中具有着良好的应用前景。但是直驱永磁发电机也有一些不足，比如其转速低，磁极多，体积和重量大，不利于安装和维护，另外，由于永磁发电机所需永磁材料昂贵，造成其总造价成本偏高等，也是制约其发展的一大瓶颈。只有克服了这些短板，DDPMG才能在商业化应用中扫除制约障碍，获得真正的经济可行性，在发展上获得解放。因此，在笔者看来，未来直驱永磁发电机还必须解决好以下几个问题：(一)升级直驱永磁发电技术。研究新型定、转子结构，优化极、槽配合，采用定子超高压、发电机大型化路线，提高系统的集成度，降低成本。(二)应用新型永磁材料。通过性能更加稳定且价格便宜的新型永磁材料的应用，优化转子励磁性能，降低永磁发电机造价成本。(三)结合双馈技术的优势。发挥和磨合直驱与齿轮箱二者的特点，研究靠单极齿轮箱驱动的永磁同步发电机。七、结束语总的来说，目前直驱永磁发电技术还处在行业的朝阳阶段，昂贵的永磁材料价格和后续维护的难度也或许令一些企业望而却步，我们也或许现在无法定论直驱永磁技术和双馈感应技术的孰高孰低。但是，直驱永磁发电机组具有的效率高，运行可靠，维护量小，对电网冲击小，风速适应范围宽，控制简单，有功和无功功率调节灵活的优点却是无可争议的，而这些对加强智能电网的建设和应对未来大范围输送风能的趋势，也是大有裨益的。直驱永磁发电机应该是我们进行风电发展不二的选择。（作者简介:徐中华华北电力大学在读硕士研究生电话：[phone]qq：41489677邮箱：[e-mail]地址：河南省商丘永城市新城文化路裕东小区#4楼201.邮编：476600）参考文献：［１］欧洲风能协会，国际绿色和平组织．关于2020年风电达到世界电力总量12％的蓝图[R]．北京：中国环境科学出版社，2004．［２］徐峰．兆瓦级直驱式复合励磁同步风力发电机组主控制器研制[D]．长沙：湖南大学，2007．［３］唐任远．现代永磁电机理论与设计[M]．北京：机械工业出版社，1997．［４］张兆强．MW级直驱永磁同步风力发电机设计[D]．上海：上海交通大学，2007．［５］钟伟强．国内外风力发电简述[J]．青海科技，2004(2)：25—26．［６］王星华．变速恒频同步直驱风力发电机控制系统研究[D]．上海：上海交通大学，2007．［７］尹明，李庚银，张建成，等．直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略[J]．电网技术，2007，31［８］曹娜，李岩春，赵海翔，等．不同风电机组对电网暂态稳定性的影响[J]．电网技术，2007，31(9)：53—［９］胡书举，李建林，许洪华．永磁直驱风电系统低电压运行特性的分析［Ｊ］．电力系统自动化，２００７，３１（１７）：７３－７７．［１０］李建林，胡书举，孔德国等．全功率变流器永磁直驱风电系统低电压穿越特性研究［Ｊ］．电力系统自动化，２００８，３２（１９）：９２－９５．［１１］李建林，许洪华等．风力发电系统低电压运行技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００８，１２：６７－１０１．［１２］杨晓萍，段先锋，田录林．直驱永磁同步风电系统低电压穿越的研究［Ｊ］．西北农林科技大学学报，２００９，３７