永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用及其發(fā)展趨向

陳翔翔

【摘 ?要】隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人類文明的不斷進(jìn)步，人們對(duì)各種資源的需求和利用都在提升。電力作為現(xiàn)代不可或缺的能源動(dòng)力，直接關(guān)系人們生產(chǎn)生活的質(zhì)量和水平。風(fēng)力資源的有效開發(fā)利用，為人們的生產(chǎn)生活提供了更加環(huán)保、便利的動(dòng)力基礎(chǔ)。風(fēng)能發(fā)電作為現(xiàn)階段供電企業(yè)提供電力的重要生產(chǎn)方式，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的整體發(fā)展有著十分重要的影響。電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，對(duì)風(fēng)力系統(tǒng)的有效運(yùn)轉(zhuǎn)提供了有力的保障。

【關(guān)鍵詞】永磁電機(jī);風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng);應(yīng)用

全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，對(duì)天然氣、煤炭、石油等不可再生資源的需求量不斷增加，資源的過度開采和利用，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞和污染，資源儲(chǔ)量也在快速降低，為了實(shí)現(xiàn)人類和環(huán)境的和諧發(fā)展，必須將能源和環(huán)境提到日程中。風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能的一種新型技術(shù)，永磁電機(jī)具有運(yùn)行可靠、效率高、功率密度大等特點(diǎn)，其在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠有效的提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)水平和效率。因此，對(duì)永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用和發(fā)展的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、永磁電機(jī)的應(yīng)用類型

1、徑向磁通永磁電機(jī)。徑向電機(jī)的磁通走向顧名思義，磁通在電機(jī)中的運(yùn)轉(zhuǎn)模式主要是直線流通，由于轉(zhuǎn)子的內(nèi)外不同，電機(jī)的結(jié)構(gòu)也存在較大的差異。徑向永磁電機(jī)通過面貼、埋入等方式在轉(zhuǎn)子上進(jìn)行永磁體的安裝。該種永磁電機(jī)的特點(diǎn)是，造價(jià)成本相對(duì)較低，制造工藝并不復(fù)雜，生產(chǎn)模式簡(jiǎn)單，并且由于徑向磁通永磁電機(jī)的規(guī)格多樣，可以滿足不同風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)要求，因此適用范圍較廣，是當(dāng)前階段風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用永磁電機(jī)的首選。

2、軸向磁通永磁電機(jī)。軸向電機(jī)產(chǎn)生圍繞機(jī)組流轉(zhuǎn)的磁通，由于電機(jī)的組織結(jié)構(gòu)不同，分為有槽式軸向磁通永磁電機(jī)與無槽式軸向磁通永磁電機(jī)、雙轉(zhuǎn)子軸向磁通永磁電機(jī)等電機(jī)構(gòu)造。軸向電機(jī)因其電磁走向呈環(huán)狀，因此繞組方便，尤其是無槽式電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)幅度與噪音較小，方便使用。與此同時(shí)，無槽式軸向磁通電機(jī)由于規(guī)模較大，需要的部件較多;無槽式軸向磁通電機(jī)的部分設(shè)備部件的加工工藝較為復(fù)雜，操作需要的專業(yè)水平較高，不利于其在規(guī)模較大的風(fēng)電系統(tǒng)中應(yīng)用。

3、橫向磁通永磁電機(jī)。作為永磁電機(jī)的三種主要結(jié)構(gòu)類型之一，橫向電機(jī)的磁通與轉(zhuǎn)子的運(yùn)行方向呈90°夾角，可以有效增加繞組的空間，并且不對(duì)磁通運(yùn)轉(zhuǎn)空間造成影響。按照其拓?fù)錁?gòu)造的不同，可以分為爪極式、單雙邊式、C形鐵心等形式。由于構(gòu)造結(jié)構(gòu)與加工工藝過于復(fù)雜，漏磁現(xiàn)象嚴(yán)重，力量密度變卦不穩(wěn)定等，所以只適用于氣隙小的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。與此相對(duì)應(yīng)的，該種電機(jī)的繞組較為簡(jiǎn)單、力量密度也相對(duì)較高，因此也是當(dāng)前階段較為常見的永磁電機(jī)之一。

二、永磁電機(jī)在發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電的最根本要素是風(fēng)速推動(dòng)下轉(zhuǎn)子的速度控制。從現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電裝置來看，發(fā)電系統(tǒng)裝置分為低速直接驅(qū)動(dòng)、中速半直接驅(qū)動(dòng)、高速永磁驅(qū)動(dòng)和雙饋電機(jī)驅(qū)動(dòng)類型。

1、低速直驅(qū)永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電的特征和應(yīng)用。低速直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)可以在較小的風(fēng)能推動(dòng)下產(chǎn)生動(dòng)能轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能向電能的轉(zhuǎn)化，同時(shí)所產(chǎn)生的電流也更加為穩(wěn)定。然而，在建造過程中，低速直驅(qū)永磁電機(jī)由于自身體積龐大，對(duì)地勢(shì)的要求較高。相對(duì)來說，線圈的匝數(shù)比比其他類型的電機(jī)要多。此外，運(yùn)行過程中更容易出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，因此對(duì)安裝環(huán)境的通風(fēng)要求也較高。

2、中速半直驅(qū)永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。相比于低速直驅(qū)永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，中速半直驅(qū)永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)相對(duì)靈活。通常狀況下，它在發(fā)電系統(tǒng)中會(huì)采取逐級(jí)加速的方式帶動(dòng)電機(jī)工作，從而使發(fā)電系統(tǒng)得以穩(wěn)定運(yùn)行。

3、高速永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。高速永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)下“風(fēng)口”地區(qū)最為常用的風(fēng)力發(fā)電裝置。此種發(fā)電系統(tǒng)具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)：電機(jī)整體的質(zhì)量和占用面積盡可能減少，轉(zhuǎn)子對(duì)風(fēng)能的額外消耗減少，提高了電機(jī)的工作效率，同時(shí)增加了產(chǎn)電效率。此外，它將傳統(tǒng)的電刷設(shè)計(jì)改為電環(huán)，降低了外界干擾所造成的電流不穩(wěn)等不利情況。

4、高速雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，高速雙饋電機(jī)的使用頻率并不大。這種類型的電機(jī)發(fā)電過程對(duì)轉(zhuǎn)速的要求較高。只有在風(fēng)力較為穩(wěn)定的時(shí)候，才能保證電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度的穩(wěn)定性。

三、永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)展

近幾年，越來越多的發(fā)電廠開始以風(fēng)力能源作為發(fā)電系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿?，風(fēng)力發(fā)電機(jī)開始逐步向大型化發(fā)展。永磁發(fā)電機(jī)作為大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，為順應(yīng)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，滿足更多企業(yè)、個(gè)人的用電需求，相關(guān)單位不斷對(duì)其進(jìn)行新功能開發(fā)，以期為供電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供更加有力的保障。

1、電機(jī)結(jié)構(gòu)型式。在電機(jī)的結(jié)構(gòu)方面，可以通過增加設(shè)備直徑，提高其運(yùn)動(dòng)速度來提升電機(jī)運(yùn)行效率，降低機(jī)器的重量與面積。如從增大直徑與減少電機(jī)體積兩方面出發(fā)，研制的超薄型徑向磁通電機(jī)——NewGen。這種直徑長(zhǎng)與體積小的永磁電機(jī)，由于其攜帶方便、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)前階段永磁電機(jī)研究的重點(diǎn)發(fā)展方向。與此同時(shí)，由于鐵心的重量在永磁電機(jī)的總重量所占比重較高，因此進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮去掉鐵心，設(shè)計(jì)無鐵心定子永磁電機(jī)，在減輕電機(jī)中力量的同時(shí)，對(duì)降低齒槽脈動(dòng)噪音與震動(dòng)的幅度，減少能源損耗也有著十分重要的作用。

2、電機(jī)冷卻技術(shù)。近年來，電機(jī)冷卻技術(shù)研發(fā)非常活躍，例如低速直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于體積和散熱面積較大，一般采取自然和強(qiáng)迫風(fēng)冷。大功率的中速和高速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于熱負(fù)荷較大及散熱面積有限，多采用水冷方式。改進(jìn)散熱條件和增加散熱能力，有利于提高電機(jī)的電磁負(fù)荷從而減小電機(jī)的體積和重量。

3、電機(jī)控制技術(shù)。永磁電力風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展方向，主要集中在提高機(jī)組效率、電能質(zhì)量以及運(yùn)行可靠性方面，從發(fā)電機(jī)控制、功率變換控制方面來看，采用多繞組、多相結(jié)構(gòu)，既能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，又能夠保證電機(jī)的出力。

4、功率變換技術(shù)。受變流器制造成本的制約，目前3MW以下的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用額定電壓為690V的變流器。隨著功率的增大，采用低壓變流器會(huì)使發(fā)電機(jī)的額定電流過大，繞組出線過粗，不僅產(chǎn)生較大的線路損耗，而且造成機(jī)組安裝和維護(hù)的諸多不便。3MW以上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，逐漸向提高額定電壓采用中壓（3～6kV）變頻器方向發(fā)展。永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用的全功率低壓變流器，多采用兩電平的背靠背雙PWM變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而中壓變流器采用多電平結(jié)構(gòu)，采用AC-DC-AC功率變換方式。采用矩陣變流器的AC-AC直接功率變換系統(tǒng)，省去交流側(cè)的濾波器和直流側(cè)的電解電容，可節(jié)約成本和提高變流器效率，是功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展趨向之一。

永磁電機(jī)相較于傳統(tǒng)的電機(jī)，具有高效能、高運(yùn)轉(zhuǎn)、高安全性等特點(diǎn)，為此現(xiàn)階段，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)中來。然而，由于永磁電機(jī)的生產(chǎn)、加工過程中需要大量的稀土材料，其生產(chǎn)成本較高，無法在風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域得到大范圍的普及。在此基礎(chǔ)之上對(duì)永磁電機(jī)進(jìn)行合理的應(yīng)用，維護(hù)其使用質(zhì)量，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，是電力產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的重中之重。相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)針對(duì)永磁電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)、冷卻、增速、功率變換等方面的功能研發(fā)，為供電產(chǎn)業(yè)快速、綠色、健康的發(fā)展提供技術(shù)層面的支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王宏海.基于永磁同步電機(jī)的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略的研究[D].燕山大學(xué)，2016.

[2] 顏建虎，林鶴云.直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)非線性控制策略[J].電氣開關(guān)，2015，53（3）.

（作者單位：淮南電力檢修公司）