[科普中国]-永磁直驱式风机

介绍

直驱型永磁风力发电机组主要针对传统型风机的弱点，全面进行了技术升级和改进，具有十分显著的技术优势，其最大的特点是风轮与发电机转子直联。

以某新一代2. 5 MW直驱式风力发电机组为例展示永磁直驱式风机的结构、原理。2. 5 MW直驱型永磁风力发电机组主要由风轮、永磁同步发电机、机架及偏航系统、主控系统、变流器、空－空循环冷却系统、液压系统、润滑系统、变压器、中央监控系统、塔架、机舱等组成。2

机械传动系统发电机通过法兰与风轮直接相连，省去了影响风机可靠性的最薄弱环节———齿轮箱，以及主轴系统、联轴器等传动部件。风轮与发电机转子直联，简化了结构，缩短了传动链，最大限度地提高了机组的可靠性和传动效率，相比常规风力发电机组提高发电量5% ～ 15% 。同时也减少了日常的维护，降低了后续的运行成本。机组采用低转速运行，没有高速转动部件，从而优化了机组的运行工况，提高了机组运行寿命，降低了噪音，进一步提高整机可靠性。

风轮风轮在7 ～ 14. 5 r/min的转速范围内进行变速运动，叶片采用独立变桨技术，由直流或交流电机驱动，确保系统稳定可靠，提供最佳能量产出。其主要包括叶片、轮毂、变桨系统、导流罩等，如图2所示。

偏航系统及机架2. 5 MW直驱型永磁风力发电机组采用主动偏航对风，机舱后部配有一套传感器———风速计和风向标。控制器根据其传递的信号，控制6个偏航驱动装置转动机舱自动反馈对准主风向，偏离角度小于5°，以保证最大的能量产出，并同时避免由于倾斜入流引起的附加负载。

发电机发电机采用永磁电机，无需电励磁系统，减少了励磁损耗，并且减少了碳刷等易损部件，减少了检修维护工作量、发电机采用外转子结构，结构更紧凑，重量减轻。采用密闭空冷系统，冷却可靠，不受外部环境影响，有效防止沙尘、盐雾和水汽对发电机的侵蚀，确保机组运行可靠。发电机防护等级为IP54，可以防止沙尘、雨水等进入电机，有效保护电机绕组和磁钢，保证电机长期安全运行。

制动系统风轮制动系统由空气制动系统和机械刹车系统组成，具有三重冗余保护概念。

(1) 主制动系统为空气制动系统，即通过叶片顺桨刹车。

(2) 在正常制动工况下，机械刹车不投入使用，仅靠叶片顺桨进行制动，有效减小制动对传动系统的冲击，并提高机械刹车的使用寿命。

(3) 在1只叶片的变桨装置均失效的情况下，其余2只叶片顺桨仍然能使机组减速，确保机组安全。

(4) 在发电机定轴上安装了2个盘式制动器( 常开式) ，构成机械刹车系统，刹车片具有磨损自检测及报警功能。机组进入紧急刹车程序时，首先叶片以8° /s的速率快速顺桨至90°，使风轮转速迅速降低，当转速降至1r/min时再投入机械刹车联合作用将转速降至零。

(5) 在电机内部安装了1个液压转子锁定装置，用于风机运行条件限制和维护时使用。

优点直驱式风力发电机组具有以下几个显著的特点：

(1) 结构简单紧凑，大幅提高了整机的可靠性，机组的可利用率高，因而机组发电量提高。

(2) 传动效率高，传动链短，永磁发电机无励磁损耗，机组运行效 率 提 高，再次提 高了发电量。

(3) 运行成本低，传动链短，无薄弱环节，大幅降低了机组的故障率，发电机无碳刷滑环，免维护，大幅减少了维修维护费用。

(4) 低转速，机组在低转速下运行，没有高速转动部件，从而优化了机组的运行工况，提高了机组运行寿命，降低了噪音，进一步提高整机可靠性。

(5) 控制技术先进，变速变桨距恒频控制，最大限度地捕获风能，尤其在低风速时性能更优越，机组具有更为优化的功率曲线。并实现与电网的柔性连接，有效降低机组的载荷，改善风机运行工况，减少对机组和电网的冲击。

(6) 全功率变频，电能品质高。

(7) 具有低电压穿越功能。直驱式风机的技术出现较晚，但随着风机技术的不断完善与发展，随着单机容量的提升，直驱式机组的装机规模不断扩大，在去年已达新装机总量的25%以上。由此可见，直驱式风机已受到电力运营商们越来越多的肯定与重视，可以预见，在风电行业以后的发展中，直驱式技术必将取得更大的辉煌。

永磁直驱与双馈风机国内风力发电机主要包括永磁直驱风机和双馈风机两种。两者的最大区别在于不同的传动、发电结构。以下通过分析风机的主要结构特性来比较两者的优劣势：

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相较于双馈式电机，永磁直驱风机更能适应低风速，且能耗较少、后续维护成本低。此外，永磁直驱风机的应用对于我国具有更加重要的意义，我国低风速的三类风区占到全部风能资源的50%左右，更适合使用永磁直驱式风电机组。 综合来看，永磁直驱风机将是我国风力发电机未来发展趋势。 我国企业拥有直驱风机的自主知识产权，结合《关于风电建设管理有关要求的通知》中风机国产化率要求及我国风机应用领域逐步扩展至低风速区域的要求，我们预计，我国永磁直驱风机占全国新增风机的比例不断提高。预计至2014年，我国永磁直驱风机产量将达到4000台，占2014年新增风机总量53%，其中1.5兆瓦永磁直驱风机和2.5兆瓦永磁直驱风机各占50%。