风电前沿论文李强11630.docx

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风电前沿论文李强11630

新能源与动力工程学院

创新教育

直驱永磁同步发电机的特点及其在风电中的应用前景

专业

风能与动力工程

班级

风能1201

姓名

李强

学号

201211630

指导教师

汤旻安

2015年12月

直驱永磁同步发电机的特点及其在风电中的应用前景

班级：

风动1201姓名：

李强学号：

201211630

【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

目录

一、引言-1-

二、原理概述及结构介绍-1-

（一）原理概述-1-

（二）结构介绍-1-

三、目前风电市场上主流发电机组及应用介绍-2-

（一）双馈感应发电机的应用现状-2-

（二）直驱永磁发电机的应用现状-3-

四、DDPMG的主要比较优点-3-

（一）DDPMG与DFIG的各自特点介绍-3-

1.双馈感应电机的特点介绍-3-

2.直驱永磁发电机的优势介绍-3-

（二）DDPMG与DFIG主要性能比较-4-

五、DDPMG的应用前景探讨-4-

（一）低电压穿越能力分析-5-

1.低电压穿越（Low voltage ride through）的概念-5-

2.DDPMG的低电压穿越技术-5-

（二）发电经济性分析-6-

六、DDPMG的不足及解决办法-7-

（一）升级直驱永磁发电技术-7-

（二）应用新型永磁材料。

-7-

（三）结合双馈技术的优势。

-7-

七、结束语-7-

参考文献-9-

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分为：

发电机侧变频器（generator-side converter ）、直流环节（DC-link）和电网侧变频器（grid-side converter）。

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。

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[4]。

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[3]

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[5]。

表1直驱永磁发电机与双馈异步发电机比较表

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（Low voltage ride through）的概念

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。

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[1]

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[2]

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。

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．