永磁同步直驱式风电机zw - wz

试比较永磁同步直驱式和双馈感应式风电机组的结构、造价、适用场合和工作特性以及工作原理的不同。

结构

直接驱动式永磁风力发电系统结构如下图，风轮机直接祸合永磁风力发电机，发电机输出由可控硅整流后，再经逆变器将能量发送给电网或蓄电池。双馈结构：叶轮—主轴—齿轮箱—连轴器—发电机（变流器—滑环—转子）—电网

工作原理及工作特性

直驱系统主要由风力机(这里概括为：叶片、轮毂、导航罩)、变桨机构、机舱、塔筒、偏航机构、永磁同步发电机、风速仪、风向标、变流器、风机总控系统等组成。就空间位置而言，交流器和风机总控系统一般放在塔筒底部，其余主要部件均位于塔顶。系统中能量传递和转换路径为：风力机把捕获的流动空气的动能转换为机械能，直驱系统中的永磁同步发电机把风力机传递的机械能转换为频率和电压随风速变化而变化的不控电能，变流器把不控的电能转换为频率和电压与电网同步的可控电能并馈入电网，从而最终实现直驱系统的发电并网控制。直接驱动型采用多极异步电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，从而免去了齿轮箱这一传统部件。Mw级的风力发电机一般需采用3级齿轮增速，将风力机的转速由每分钟数十转增至上千转，齿轮传动不仅降低了风电转换效率和产生噪声，而且由于机械磨损需要润滑清洗等定期维护，往往成为系统机械故障的重要来源。取消增速机，采用风力机直接驱动的发电机对于提高系统效率和运行可靠性具有重要意义。直接驱动式发电系统必须采用超低速的发电机。当发电机输出电压频率不变时，电机绕组的极数与转速成反比，而电机电磁功率与转速成正比，如果保持与高速电机具有相同的额定功率，直接驱动低速发电机就必须有较多的极数和较大的体积，因此，就提高了发电机的制造成本。此外，低速发电机由于极数很多而受其铁芯尺寸和槽数所限，每极每相槽数过少而无法采用正常的分布和短距绕组，致使发电机的输出电压、电流波形含有较大的谐波分量，给发电机绕组设计带来很大困难。

双馈式发电机是变速运行风电系统的一种，包括风力机、齿轮箱、感应发电机、PWM变频器和直流侧电容器等。双馈机的定子与电网直接连接，转子通过两个变频器连接到电网，机组可在较大速度范围内运行，与电网之间实现能量双向传输。当发电机运行在超同步速度时，发电机定子和转子同时向电网输送能量；而当运行在亚同步速度时，电网通过变频器向转子输送功率。直流侧电容器的作用是维持直流母线电压恒定。与恒速风力机不同，其功率控制方式为变桨距控制，即桨叶节距角随着风速的改变而改变，从而使风力机在较大范围内按最佳参数运行，以提高风能利用率。当风速增大到额定值以上时， 叶片与轮毂问的轴承机构转动使叶片桨距角增大，攻角减小，从而减小翼型的升 力，达到控制风力机叶片的扭

矩和限制风机捕获的功率。。相对于传统的恒速发电系统其性能优势体现在：(1)降低输出功率的波动和机组的机械应力；(2)不需要无功补偿装置；(3)可以追踪最大风能，提高风能利用率；(4)控制转子电流就可以在大范围内控制电机转差率、有功功率和无功功率，提高系统的稳定性；(5)在转子侧控制功率因数，可提高电能质量； (6)变频器容量仅占发电机额定容量的25％左右，与其它全功率变频器相比大大降低变频器的损耗及投资。因此，目前的大型风力发电机组一般是这种变桨距控制的双馈式风力机，但其主要缺点在于控制方式相对复杂，机组价格昂贵

造价比较

直接驱动式发电系统必须采用超低速的发电机，当发电机输出电压频率不变时，电机绕组的极数与转速成反比，而电机电磁功率与转速成正比，如果保持与高速电机具有相同的额定功率，直接驱动低速发电机就必须有较多的极数和较大的体积，因此，就提高了发电机的制造成本。低速发电机输出电压、电流波形不好的问题，可以采用将发出电能通过交一直一交变频器，再送入电网的变速恒频方式来解决。因此，直接驱动与直接采用交一直一交变频器相结合的变速恒频方式有一定的优势，但也有发电机与变流器的成本皆比较高的缺点。永磁同步技术虽然降低或省去了齿轮箱成本，但其发电机和全功率变频器均较双馈技术更加昂贵。从变频器看：直驱机组采用的是全功率变频器，容量大，价格昂贵，并且变频器产生谐波大。双馈机组中仅有转差功率经过变频器，充分发挥了双馈发电机以小博大的优点，所以变频器容量小，价格低，并且机组的谐波小。 从齿轮箱看：直驱机组不采用齿轮箱，风轮直接带动发电机转子旋转。省去齿轮箱会减少齿轮箱的机械故障，但风轮与发电机直接连接会增加叶片的冲击载荷，并且将其直接传递到发电机上，增加了发电机出故障的可能性。双馈机组采用齿轮箱将风轮转速升高，提高了发电机的效率，而齿轮箱技术从上世纪90年代起已经发展的非常成熟，其故障率已经非常低。

应用场合

直驱式发电机由于转数低，且磁极数很多，通常在90极以上，而且体积和重量相比双馈式机组也大很多，对其轴承等转动部件要求极高。另外，永磁材料在震动、冲击、高情况下容易发生失磁的现象；而且材料中含有铁，在海上强盐雾的情况下防腐问题难以解决；同时，由于永磁材料存在永久的强磁性，无法在现场条件下检修，所以一旦出现问题只有返回厂家才能维修，现场不具有可维护性，给运行带来了很大的隐患。而双馈式异步风电机则具有技术成熟可靠，成本低，重量轻、易维护等优点。永磁同步技术所采用的全功率变频系统的谐波含量非常高（基本超过5％），必须使用谐波滤波器。而双馈机组中的谐波含量可控制在较低水平。永磁同步技术其机组转速范围较宽，在低风速下发电量有一定优势，但其全功率变频的特点导致随风速提高，其发电量优势将因变频器损耗迅速增大而减小。理论计算的发电量比较两者相近，双馈技术略优于永磁同步技术。电网故障时双馈系统可提供更高的电流能力，更有利于启动过电流保护及故障清除；全功率变频系统其电流能力基本被限制在2倍额定电流。直驱机组往往采用利用定转子间气隙以自然通风的方式对发电机进行冷却，当安装到海上风场时，发电机作为核心部件会直接与腐蚀性空气接触，防腐问题极难解决。且出现问题维修更换耗资巨大。现在海上风场尚无安装大型直驱风电机组的先例。

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