夏長亮

（1.天津市電工電能新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津工業(yè)大學(xué) 天津 300387 2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 天津 300072）

1 引言

隨著能源安全問題日益突出，世界各國對風(fēng)能這一綠色、可再生能源的開發(fā)與利用極為關(guān)注[1]。特別是進(jìn)入21世紀(jì)后，全球風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)容量和總裝機(jī)容量大幅提升，據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會(huì)最新統(tǒng)計(jì)，至2011年全球新增裝機(jī)容量達(dá)40 564MW，總裝機(jī)容量接近240 000MW，而我國新增裝機(jī)容量與總裝機(jī)容量均位于全球首位，占全球新增裝機(jī)容量和總裝機(jī)容量比例分別為 43%和 26.2%[2]。在各國政府政策與財(cái)政的扶持下，風(fēng)力發(fā)電及其相關(guān)技術(shù)的革新極為迅速，如單機(jī)容量從較小的千瓦級(jí)系統(tǒng)發(fā)展到目前廣泛應(yīng)用的兆瓦級(jí)系統(tǒng)，葉片控制從單一的定槳距失速控制技術(shù)發(fā)展到更為先進(jìn)的變槳距控制技術(shù)，運(yùn)行方式從以往的恒速恒頻技術(shù)發(fā)展到目前普遍采用的變速恒頻技術(shù)等。

發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的核心設(shè)備之一，其性能的不斷提高，在一定程度上影響著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。早期的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中多采用籠型異步發(fā)電機(jī)，此類發(fā)電機(jī)通過齒輪箱與風(fēng)機(jī)相連，其定子端輸出電壓隨風(fēng)速變化而改變，需配備體積較大、價(jià)格昂貴的全功率變換器才能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行[3]。因此，隨著對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)要求的不斷提高，特別是單機(jī)容量激增和變速恒頻技術(shù)的廣泛采用，使得采用雙饋繞線式異步發(fā)電機(jī)的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和采用永磁同步發(fā)電機(jī)的永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)占據(jù)了風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中的主導(dǎo)地位。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子繞組通過能量可雙向流動(dòng)的功率變換器與電網(wǎng)連接，該變換器只需傳輸轉(zhuǎn)差功率（一般為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)容量的1/3），從而降低了對變換器容量的需求[4-7]。但雙饋發(fā)電機(jī)定子繞組直接與電網(wǎng)相連，系統(tǒng)與電網(wǎng)間的相互影響較強(qiáng)，因此雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中功率穩(wěn)定輸出、低電壓穿越、電網(wǎng)電壓不平衡下的穩(wěn)定運(yùn)行等問題有待于進(jìn)一步完善[8-10]。此外，雙饋發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)通過增速齒輪箱與發(fā)電機(jī)相連，因此降低了風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)增加了系統(tǒng)的故障率，降低了可靠性。永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)定子通過全功率變換器與電網(wǎng)相連，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)間形成隔離，使得兩者間相互影響較小。低速永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般采用直驅(qū)式結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的效率和運(yùn)行可靠性。但隨著單機(jī)容量的增大，低速永磁同步發(fā)電機(jī)體積過于龐大、永磁體用料增加、運(yùn)輸與安裝難度增大，加之采用全功率變換器，系統(tǒng)成本較高。目前半直驅(qū)結(jié)構(gòu)在大容量永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用較為普遍[11,12]。

近年來，隨著電機(jī)及其控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無刷雙饋發(fā)電機(jī)、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)等也進(jìn)入到風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問題。無刷雙饋發(fā)電機(jī)具有兩套極數(shù)不同的定子繞組，其中，功率繞組直接與電網(wǎng)相連，控制繞組通過功率變換器與電網(wǎng)相連。無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與雙饋發(fā)電系統(tǒng)除具有同樣的優(yōu)點(diǎn)之外，電機(jī)轉(zhuǎn)子為籠形結(jié)構(gòu)，省去了集電環(huán)與電刷，降低了電機(jī)成本，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。但無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電機(jī)本體設(shè)計(jì)理論比較復(fù)雜，制造困難，技術(shù)相對不夠成熟，目前仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，未獲得大規(guī)模應(yīng)用，需要在電機(jī)本體制造及設(shè)計(jì)理論上做進(jìn)一步探索[13-15]。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)定子設(shè)有集中繞組，無轉(zhuǎn)子繞組，即沒有獨(dú)立的勵(lì)磁繞組，系統(tǒng)通過分時(shí)控制使定子繞組工作于勵(lì)磁與發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，因此該系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，有待于進(jìn)一步完善[16-18]。

由此可以看出以無刷雙饋發(fā)電機(jī)與開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)代表的新型發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用還需要在技術(shù)上進(jìn)一步完善，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還將占據(jù)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于其在大容量風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢，發(fā)展前景較為廣闊。

2 永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)及運(yùn)行特性

2.1 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)具有形式多樣的特點(diǎn)，其電磁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選取與發(fā)電機(jī)性能及應(yīng)用場合息息相關(guān)。通常根據(jù)主磁通方向的不同，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以分為常規(guī)磁通結(jié)構(gòu)、軸向磁通結(jié)構(gòu)和橫向磁通結(jié)構(gòu)三類[19]。

2.1.1 常規(guī)磁通結(jié)構(gòu)

常規(guī)磁通結(jié)構(gòu)的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，主磁通沿徑向由永磁體經(jīng)氣隙進(jìn)入定子鐵心。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置分布，常規(guī)磁通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)分為表面式和內(nèi)置式兩種結(jié)構(gòu)。

（1）表面式結(jié)構(gòu)。表面式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，圖1a和圖1b中永磁體分別采用徑向充磁和平行充磁方式，圖1c和圖1d中永磁體采用Halbach充磁方式，圖1c是對永磁環(huán)整體按照一定的規(guī)律連續(xù)順序充磁，圖1d是將多個(gè)預(yù)充磁的永磁體按一定的充磁方向順序組合而成[20]。

圖1 表面式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.1 Rotor structures of surface mounted PMSGs used for WECSs

對于徑向充磁方式，永磁體中各點(diǎn)的磁化強(qiáng)度矢量僅含徑向分量，氣隙磁通密度波形趨于矩形波。而對于平行充磁方式，永磁體磁化方向平行于永磁體中心線，因此，磁化強(qiáng)度矢量不僅含有徑向分量，還存在切向分量，氣隙磁通密度趨于正弦分布。Halbach陣列產(chǎn)生的氣隙磁場正弦性好，諧波含量少；具有聚磁效果，能夠提供更高的氣隙磁通密度，具有自屏蔽特性，轉(zhuǎn)子心可采用非鐵磁材料[21,22]。

（2）內(nèi)置式結(jié)構(gòu)。內(nèi)置式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，根據(jù)磁路不同又可分為徑向式、切向式以及混合式三種結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 內(nèi)置式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.2 Rotor structures of interior PMSGs used for WECSs

徑向式磁路結(jié)構(gòu)，氣隙磁通密度相對較低，漏磁系數(shù)小、轉(zhuǎn)子軸無需采取隔磁措施。切向式磁路結(jié)構(gòu)，氣隙磁通密度相對較大，且極數(shù)越多，效果越明顯；該結(jié)構(gòu)漏磁系數(shù)較大、轉(zhuǎn)子軸需采取隔磁措施，如增加非磁性襯套、采用非磁性轉(zhuǎn)軸或空氣槽隔磁等?；旌鲜酱怕方Y(jié)構(gòu)結(jié)合了徑向式和切向式磁路結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)和制造工藝較前兩者復(fù)雜。

采用內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電機(jī)交直軸磁路不再對稱，呈現(xiàn)凸極電機(jī)特征。與表面式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)提高了永磁體的抗不可逆退磁能力。由于永磁體受到極靴的保護(hù)，內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)多用于轉(zhuǎn)速較高的場合。

常規(guī)磁通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)因結(jié)構(gòu)相對簡單、制造成本低、制造工藝相對成熟，廣泛應(yīng)用于永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。與其他結(jié)構(gòu)相比，常規(guī)磁通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作性能良好，可靠性高，能夠在較寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行。此外，電機(jī)直徑與軸向長度可獨(dú)立設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合，常規(guī)磁通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)可設(shè)計(jì)成粗短型或細(xì)長型結(jié)構(gòu)。

2.1.2 軸向磁通結(jié)構(gòu)

軸向磁通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，根據(jù)定、轉(zhuǎn)子數(shù)目及其相對位置，軸向磁通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)大致可分為單定子-單轉(zhuǎn)子、單定子-雙轉(zhuǎn)子、雙定子-單轉(zhuǎn)子以及多定子-多轉(zhuǎn)子四種結(jié)構(gòu)。

（1）單定子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中定-轉(zhuǎn)子間存在較大的單邊磁拉力，為防止永磁轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向竄動(dòng)，需要增加推力軸承，從而導(dǎo)致加工工藝復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 單定子-單轉(zhuǎn)子軸向磁通結(jié)構(gòu)Fig.3 Axial magnetic flux structure of single stator-single rotor

（2）單定子-雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。單定子-雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4a和圖4b中定子鐵心分別采用了有齒槽和無齒槽形式。對于無齒槽形式，定子繞組可以粘結(jié)在定子鐵心上，或是均勻環(huán)繞于鐵心上，形成環(huán)形繞組。圖4c所示的單定子-雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，中間定子僅與一側(cè)永磁轉(zhuǎn)子作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而另一側(cè)轉(zhuǎn)子用于平衡定、轉(zhuǎn)子之間的磁拉力。單定子-雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以解決單定子、單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中存在的單邊磁拉力問題，但增加了永磁材料和鐵心材料使用量，增加了電機(jī)損耗。

圖4 單定子-雙轉(zhuǎn)子軸向磁通結(jié)構(gòu)Fig.4 Axial magnetic flux structures of single stator-dual rotors

（3）雙定子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。雙定子-單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5a中，中間轉(zhuǎn)子與兩側(cè)定子構(gòu)成雙氣隙，通過合理設(shè)計(jì)磁路，平衡轉(zhuǎn)子與兩側(cè)定子間的磁拉力。圖5b中，中間轉(zhuǎn)子僅與一側(cè)定子作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而另一側(cè)定子用于平衡定、轉(zhuǎn)子之間的磁拉力。與單定子、雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)類似，雙定子、單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)同樣解決了單定子、單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中存在的單邊磁拉力問題，但增加了永磁材料和鐵心材料使用量，增加了電機(jī)損耗。

圖5 雙定子-單轉(zhuǎn)子軸向磁通結(jié)構(gòu)Fig.5 Axial magnetic flux structures of dual stators-single rotor

（4）多定子-多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。多定子-多轉(zhuǎn)子軸向磁通結(jié)構(gòu)如圖6所示。該結(jié)構(gòu)中，多個(gè)定子和轉(zhuǎn)子交錯(cuò)排列組成多氣隙，因此可等效為多臺(tái)電機(jī)共同作用，從而有效減小電機(jī)直徑，便于運(yùn)輸和安裝。相對其他結(jié)構(gòu)而言，采用多定子-多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電機(jī)鐵心磁滯損耗和渦流損耗較小，通風(fēng)冷卻效果良好。

圖6 多定子-多轉(zhuǎn)子軸向磁通結(jié)構(gòu)Fig.6 Axial magnetic flux structure of multi stators-multi rotors

與常規(guī)磁通結(jié)構(gòu)相比，軸向磁通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸向尺寸短，結(jié)構(gòu)緊湊；電樞繞組端部的長度相對較短，銅耗小，且散熱條件好；電機(jī)直徑與質(zhì)量相對較大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，有利于發(fā)電機(jī)在有外部擾動(dòng)情況下正常運(yùn)行。但此類永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，且體積與質(zhì)量較大，不便于運(yùn)輸安裝。因此，為使軸向磁通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)在永磁風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域更好地發(fā)揮其優(yōu)勢，需要對電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn)，以便加工制造。

2.1.3 橫向磁通結(jié)構(gòu)

橫向磁通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，磁力線所在平面與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向垂直[23]。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置分布，橫向磁通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)分為表面式和聚磁式兩種結(jié)構(gòu)。

（1）表面式結(jié)構(gòu)。表面式橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7a中N、S兩種極性永磁體交錯(cuò)排列在轉(zhuǎn)子鐵心表面，U形定子元件以兩倍極距呈圓周分布，且兩個(gè)定子齒對應(yīng)的永磁體極性不同，在U形定子元件凹槽內(nèi)為環(huán)形線圈。在該結(jié)構(gòu)中，僅有一半的永磁體與定子元件相互作用，永磁體分布極性相反，未與定子元件構(gòu)成回路的永磁體產(chǎn)生的漏磁反而會(huì)削弱定子中的主磁通。在圖7a所示的單邊布局結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，圖7b中增加了軟磁材料制成的梯形磁橋，提供磁通并聯(lián)支路。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)鐵心材料用量少、重量輕，且鐵心中磁滯損耗和渦流損耗小，可更充分地利用永磁體、減少漏磁，但磁橋占用了部分定子繞組空間，一定程度上削弱了定子繞組磁勢。

與單邊布局結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，圖7c為雙邊布局結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子內(nèi)外兩側(cè)均安裝定子鐵心，構(gòu)成雙氣隙，內(nèi)外定子元件沿周向錯(cuò)開一個(gè)極距。與單邊布局結(jié)構(gòu)相比，雙邊布局結(jié)構(gòu)氣隙磁通密度有所改善，轉(zhuǎn)矩密度和功率因數(shù)提高，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，制作工藝要求高。

圖7 表面式橫向磁通結(jié)構(gòu)Fig.7 Surface mounted transverse flux structures

（2）聚磁式結(jié)構(gòu)。常見的聚磁式結(jié)構(gòu)有U形、C形和E形結(jié)構(gòu)，如圖8所示。采用聚磁式結(jié)構(gòu)，電機(jī)可獲得較高的氣隙磁通密度。但與表面式結(jié)構(gòu)相比，聚磁式橫向磁通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作工藝要求高。

圖8 聚磁式橫向磁通結(jié)構(gòu)Fig.8 Concentrating transverse flux structures

圖8a所示 U形聚磁結(jié)構(gòu)中，永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體極性分布規(guī)律與表面式結(jié)構(gòu)相同，相鄰兩永磁體之間為轉(zhuǎn)子鐵心。為提高永磁材料利用率，電機(jī)采用雙邊定子結(jié)構(gòu)，U形定子元件沿周向均勻分布于轉(zhuǎn)子內(nèi)外兩側(cè)，且分別錯(cuò)開一個(gè)極距。環(huán)形線圈位于U形定子元件凹槽內(nèi)。圖8b所示的C形聚磁結(jié)構(gòu)中，采用C形定子元件，且每個(gè)元件的兩個(gè)定子齒相錯(cuò)一個(gè)極距，對應(yīng)兩個(gè)不同極性的永磁體。該結(jié)構(gòu)將原先兩組定子鐵心、電樞繞組以及永磁轉(zhuǎn)子簡化為一組，且實(shí)現(xiàn)了相同的效果，簡化了電機(jī)制造工藝。但C形定子元件制造過程比較復(fù)雜，需要特殊的加工工藝。圖 8c所示的 E形聚磁結(jié)構(gòu)在C形聚磁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入中間過渡鐵心，定子鐵心無需扭轉(zhuǎn)，制造工藝相對簡單，但與U形結(jié)構(gòu)相比，電機(jī)結(jié)構(gòu)仍較復(fù)雜，對加工工藝的要求較高。

橫向磁通結(jié)構(gòu)的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)電負(fù)荷和磁負(fù)荷在空間上解耦，鐵心尺寸和線圈大小可獨(dú)立設(shè)計(jì)，且極距可做到很小；電機(jī)各相之間沒有耦合，可獨(dú)立分析與控制，其模塊化結(jié)構(gòu)也更易制成多相，提高電機(jī)容錯(cuò)能力。但電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元、部件較多，對于某些元件需要特殊加工工藝，制造成本高，因此，需要進(jìn)一步簡化電機(jī)結(jié)構(gòu)，改善制造工藝，使其更具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.2 永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

2.2.1 直驅(qū)式結(jié)構(gòu)

對于單機(jī)容量相對較小的永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般多選用極對數(shù)較多的低速永磁同步發(fā)電機(jī)，風(fēng)機(jī)與發(fā)電機(jī)之間通常采用直驅(qū)式結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of direct-driven WECS based on PMSG

目前國內(nèi)生產(chǎn)的永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多采用直驅(qū)式結(jié)構(gòu)，最大單機(jī)容量達(dá)5MW。該結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)具有較高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率以及較好的低風(fēng)速區(qū)運(yùn)行性能；由于省去齒輪箱，降低設(shè)備維護(hù)頻率，提高了系統(tǒng)可靠性。但低速永磁同步發(fā)電機(jī)的極數(shù)多、體積大、永磁體用料多、運(yùn)輸與安裝困難，使得此類發(fā)電機(jī)制造、運(yùn)輸及安裝成本相對較高；此外，風(fēng)機(jī)導(dǎo)致的各種沖擊載荷全部由發(fā)電機(jī)承受，從而加大了永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化難度。

2.2.2 半直驅(qū)式結(jié)構(gòu)

隨著永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)單機(jī)容量的不斷攀升，若仍采用直驅(qū)式結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)極數(shù)過多、體積過大，因此可選用極對數(shù)較少的中高速永磁同步發(fā)電機(jī)，風(fēng)機(jī)與發(fā)電機(jī)之間采用單級(jí)或多級(jí)齒輪箱增速的半直驅(qū)結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

圖10 半直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic diagram of half-direct-driven WECS based on PMSG

目前 Gamesa生產(chǎn)的永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多采用2級(jí)增速齒輪箱，Vestas生產(chǎn)的3MW以上永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)更是采用了4級(jí)增速齒輪箱。半直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用低增速比齒輪結(jié)構(gòu)，可提高發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速、減少發(fā)電機(jī)極數(shù)，從而減小發(fā)電機(jī)體積與重量、降低成本，同時(shí)有利于機(jī)組的運(yùn)輸與安裝。在某種意義上，半直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)與不足的一種權(quán)衡與優(yōu)化，符合風(fēng)電系統(tǒng)向大容量發(fā)展的趨勢。

2.3 永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性

永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電能的過程主要是由風(fēng)機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、功率變換器及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。

風(fēng)機(jī)作為永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，直接影響著系統(tǒng)的性能和效率。根據(jù)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及其在氣流中位置的不同，主要分為水平軸和垂直軸兩種形式[24]。垂直軸風(fēng)機(jī)可從任意方向獲得風(fēng)能，簡化了風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且由于齒輪箱、發(fā)電機(jī)及其相鄰的電氣控制柜等裝置可以放置于地面上，便于風(fēng)機(jī)的安裝與維護(hù)；垂直軸風(fēng)機(jī)的缺點(diǎn)也較為明顯，其只能在一定風(fēng)速下達(dá)到最大的風(fēng)能利用率，風(fēng)能吸收的控制調(diào)節(jié)較難實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)部分不易供電，信號(hào)檢測及傳輸困難，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速以及制動(dòng)過程的控制復(fù)雜，穩(wěn)定性較差，葉片不均衡受力導(dǎo)致風(fēng)機(jī)易產(chǎn)生振動(dòng)，運(yùn)行時(shí)噪聲大。因此，在實(shí)際中垂直軸風(fēng)機(jī)并未獲得廣泛應(yīng)用。水平軸風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行，其特點(diǎn)是風(fēng)能利用率較高，并且可靈活地控制其對風(fēng)能的吸收。上風(fēng)向水平軸風(fēng)機(jī)在塔架的前方迎風(fēng)旋轉(zhuǎn)，運(yùn)行時(shí)需要偏航裝置以保持風(fēng)機(jī)的迎風(fēng)狀態(tài)。下風(fēng)向水平軸風(fēng)機(jī)安裝在塔架的下風(fēng)位置，能夠自動(dòng)對準(zhǔn)風(fēng)向，無需對風(fēng)調(diào)向裝置，但由于一部分空氣通過塔架后再吹向風(fēng)機(jī)，塔架干擾了流過葉片的氣流而形成塔影效應(yīng)，使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行性能有所降低。目前商業(yè)化兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中多采用上風(fēng)向水平軸風(fēng)機(jī)。

發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)是永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，其運(yùn)行狀況和控制技術(shù)決定著整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)的性能、效率和輸出電能質(zhì)量。永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式可分為恒速恒頻方式和變速恒頻方式。恒速恒頻方式只能運(yùn)行于某一特定轉(zhuǎn)速，當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)偏離最大值，導(dǎo)致運(yùn)行效率下降、風(fēng)能資源浪費(fèi)、增大系統(tǒng)機(jī)械載荷及風(fēng)機(jī)磨損、縮短風(fēng)機(jī)壽命。而隨著風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)單機(jī)容量的增大，變速恒頻方式在提高整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率方面的優(yōu)勢更為顯著。與恒速恒頻方式相比，變速恒頻方式突破了機(jī)電系統(tǒng)必須嚴(yán)格同步運(yùn)行的傳統(tǒng)觀念，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不受電機(jī)輸出頻率限制，而其輸出電壓的頻率、幅值和相位也不受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響。風(fēng)電系統(tǒng)通過勵(lì)磁控制和變槳距調(diào)節(jié)可運(yùn)行于最佳工作狀態(tài)，在較寬的風(fēng)速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。風(fēng)速躍變產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，通過風(fēng)機(jī)的加速過程以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)于風(fēng)機(jī)中，避免了主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過大的扭矩及應(yīng)力[25,26]。此外，通過對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的勵(lì)磁控制，能夠?qū)崿F(xiàn)無電流沖擊的軟并網(wǎng)，使系統(tǒng)的運(yùn)行更加平穩(wěn)和安全。變速恒頻方式下風(fēng)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行過程主要包括額定風(fēng)速以下的最優(yōu)功率輸出控制以及高于額定風(fēng)速時(shí)的恒功率控制，系統(tǒng)運(yùn)行的靜態(tài)最優(yōu)曲線如圖11所示。

圖11 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行曲線Fig.11 Operation characteristics variable speed constant frequency WECSs

由圖11可以看出，根據(jù)不同的風(fēng)速范圍，變速恒頻永磁風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行可以分為啟動(dòng)階段（A～B）、低風(fēng)速時(shí)的最優(yōu)功率輸出階段（B～D）以及高于額定風(fēng)速時(shí)的恒功率輸出階段（D～E）階段。啟動(dòng)階段完成風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由停機(jī)到并網(wǎng)的操作。最優(yōu)功率輸出階段通過調(diào)節(jié)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變速運(yùn)行，保證系統(tǒng)在不同風(fēng)速條件下均能最大程度地捕獲風(fēng)能。在此階段又分為變速區(qū)和恒速區(qū)。在變速區(qū)，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行于最佳葉尖速比，確保系統(tǒng)的風(fēng)能利用系數(shù)始終保持為最大值。在恒速區(qū)，電機(jī)轉(zhuǎn)速被限制于額定轉(zhuǎn)速附近，以避免風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速過高而導(dǎo)致槳葉、轉(zhuǎn)軸、發(fā)電機(jī)等部件的損毀；恒速區(qū)對應(yīng)的系統(tǒng)風(fēng)能利用系數(shù)將偏離最大值，輸出功率雖然在達(dá)到額定值之前持續(xù)增長，但其變化速度低于變速區(qū)輸出功率的變化速度。恒功率輸出階段，風(fēng)機(jī)能量的獲取將受到功率變換器容量等物理性能的限制，控制系統(tǒng)將保持風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)恒定的功率輸出并使傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的柔性[27,28]。

3 永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與運(yùn)行控制

永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用全功率變換器，而適用于該場合的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較多，針對不同變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制也不盡相同。通過控制此類變換器可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)以及發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)間的柔性連接等。以下分別簡要介紹幾種不同的永磁風(fēng)力發(fā)電功率變換器典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制特點(diǎn)[29]。

3.1 Back-to-Back兩電平變換器

Back-to-Back兩電平變換器如圖12所示。

圖12 Back-to-Back兩電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.12 Back to back two-level converter topology

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由發(fā)電機(jī)側(cè)變換器、直流母線以及網(wǎng)側(cè)變換器構(gòu)成，技術(shù)較為成熟、應(yīng)用較為廣泛。由于具有中間的直流環(huán)節(jié)，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)間的能量交換得到緩沖，且發(fā)電機(jī)側(cè)變換器與網(wǎng)側(cè)變換器可實(shí)現(xiàn)解耦，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對簡單，可控的功率器件較少，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。但對于大容量及超大容量永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其大量的直流側(cè)電容會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的體積、重量增大，不利于功率變換器的高度集成化。由于直流側(cè)僅有兩種電平，因此發(fā)電機(jī)側(cè)變換器的交流端需加裝電抗器，以避免發(fā)電機(jī)繞組上產(chǎn)生過電壓。網(wǎng)側(cè)變換器的交流端則需加裝濾波器，以避免對電網(wǎng)的諧波電流污染。此外，該變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不易于靈活地拓展，因此其容量直接受功率器件容量的制約，難以滿足系統(tǒng)向更大容量方向發(fā)展的要求。

3.2 具有Boost斬波的兩電平變換器

基于 Boost斬波的不控整流型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 基于Boost斬波的不控整流型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.13 Converter topology with diode rectifier and boost chopper

此類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中發(fā)電機(jī)側(cè)連接二極管整流橋，決定了通過整個(gè)變換器的能量只能由發(fā)電機(jī)至電網(wǎng)單向流動(dòng)，因此這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常見于永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[30-34]。與Back-to-Back形式的PWM變換器相比，發(fā)電機(jī)側(cè)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到了簡化，省去了多個(gè)功率開關(guān)器件及其驅(qū)動(dòng)電路，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了功率器件的開關(guān)損耗和系統(tǒng)成本。僅通過 Boost斬波器中唯一的功率器件即可實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤和功率因數(shù)校正，且發(fā)電機(jī)的控制不需要采用矢量控制策略，因此發(fā)電機(jī)側(cè)變換器的調(diào)制算法得到了極大地簡化，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。采用Boost斬波的功率變換器不但適合小容量風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，而且Boost斬波電路可通過串并聯(lián)技術(shù)增大其容量，能較好地適應(yīng)大容量風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求[35,36]。目前采用Boost斬波電路的功率變換器已經(jīng)應(yīng)用于2MW的永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。

Boost斬波電路中電感電流紋波較高，該電流紋波通過整流橋直接影響永磁發(fā)電機(jī)的定子電流，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。為降低這一電流紋波，通常選取感值較大的升壓電感，因此必然會(huì)增加變換器的體積和重量。Boost斬波電路工作于電流連續(xù)模式時(shí)，電感電流與輸出電壓紋波最低，然而實(shí)際設(shè)計(jì)中并不能通過無限增大升壓電感保證其工作于該模式，因此通過Boost斬波電路控制發(fā)電機(jī)的運(yùn)行范圍受到限制[37]。此外，輸出端電壓紋波對Boost斬波電路控制穩(wěn)定性也會(huì)造成不利影響[38]。

3.3 多電平變換器

隨著風(fēng)電系統(tǒng)容量與日俱增，大容量、多電平技術(shù)已經(jīng)滲透到風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，并成為風(fēng)電系統(tǒng)功率變換器的發(fā)展趨勢。20世紀(jì)80年代初，Nabae A首次提出了三電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[39]，歷經(jīng) 30年的研究與實(shí)踐，目前主要的多電平變換器拓?fù)漕愋桶ǎ憾O管鉗位型多電平變換器、飛跨電容鉗位型多電平變換器以及H橋級(jí)聯(lián)型多電平變換器。由二極管鉗位型拓?fù)浜惋w跨電容鉗位型拓?fù)浞謩e構(gòu)成的Back-to-Back雙向多電平變換器幾乎適用于所有類型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[40～41]。以三電平拓?fù)錇槔?，其結(jié)構(gòu)如圖14所示。

由圖14a中可以看出，二極管鉗位型多電平變換器電平數(shù)越多，其交流側(cè)電壓越接近正弦，因此諧波含量越低；運(yùn)行過程中，功率器件的電壓應(yīng)力降低，因此相比于兩電平變換器，采用相同規(guī)格的功率器件時(shí)，二極管鉗位型N電平變換器直流側(cè)電壓可提高N-2倍，從而增大了變換器容量，同時(shí)特別符合電機(jī)高壓化的發(fā)展趨勢；二極管鉗位型變換器可較為方便地構(gòu)成Back-to-Back拓?fù)湫问?，調(diào)制與控制相對容易；在特定的調(diào)制算法下，功率器件的開關(guān)頻率低于采樣頻率，從而可降低開關(guān)損耗。

圖14 多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.14 Multi-level converter topology

但二極管鉗位型多電平變換器隨電平數(shù)的增加，調(diào)制算法的復(fù)雜程度會(huì)急劇提高，因此實(shí)際應(yīng)用中此類變換器的電平數(shù)一般不超過5；此類變換器存在直流側(cè)電容電壓不平衡的問題，雖然可通過適當(dāng)?shù)馗淖冋{(diào)制算法或增加附加電路緩解這一問題，但隨之增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，電平數(shù)越多該問題就越突出；采用大量的功率器件和鉗位二極管，增加了變換器成本。但近年來功率器件價(jià)格不斷下降，促進(jìn)了此類變換器的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

圖14b所示的飛跨電容鉗位型多電平變換器具有二極管鉗位型多電平變換器的主要優(yōu)、缺點(diǎn)。不同的是，飛跨電容鉗位型多電平變換器的直流側(cè)電容均壓問題相對容易解決；變換器中大量的鉗位電容，一方面增加了系統(tǒng)體積和重量；另一方面為保證鉗位電容電壓的平衡，增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性。

由H橋級(jí)聯(lián)型拓?fù)錁?gòu)成的Back-to-Back多電平變換器，發(fā)電機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)變換器開關(guān)信號(hào)難以保持同步，容易導(dǎo)致短路，實(shí)際應(yīng)用中該結(jié)構(gòu)較難實(shí)現(xiàn)[42]。目前，風(fēng)電系統(tǒng)中H橋級(jí)聯(lián)型功率變換器，常采用圖14c所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖中，網(wǎng)側(cè)逆變電路由多個(gè)H橋單元級(jí)聯(lián)構(gòu)成，無需大量的鉗位二極管或鉗位電容；相比于鉗位型的多電平變換器，電平數(shù)相同時(shí)所需功率器件最少，且H橋單元結(jié)構(gòu)易于封裝；變換器的調(diào)制算法的復(fù)雜程度受電平數(shù)影響相對較小，當(dāng)高于五電平時(shí)其優(yōu)勢更加明顯；每一個(gè)H橋單元直流側(cè)均為獨(dú)立的電壓源，不存在直流電容均壓的問題，且有利于網(wǎng)側(cè)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的拓展；發(fā)電機(jī)側(cè)的控制通過Boost升壓斬波實(shí)現(xiàn)，因此發(fā)電機(jī)側(cè)變換器不需要大量的功率開關(guān)器件，調(diào)制算法與控制策略相對簡單，易于實(shí)現(xiàn)；此外，該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于多相發(fā)電機(jī)系統(tǒng)時(shí)，可省去多繞組移相變壓器。

但該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能量僅能單相流動(dòng)，不易實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，因此一般適用于永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[43～45]；應(yīng)用普通三相電機(jī)時(shí)，由于需要多繞組移相變壓器，且電平數(shù)越高，變壓器體積和重量越大，因此增加了系統(tǒng)集成化的難度。

3.4 矩陣變換器

矩陣變換器的概念于 1976年由 Gyugyi L和Pelly B首次提出，此后Venturini M和Alesina A于1980年利用晶體管構(gòu)成的雙向功率器件研制了首臺(tái)矩陣變換器樣機(jī)[46-48]。經(jīng)過30余年的發(fā)展，矩陣變換器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化。目前，三相-三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為矩陣變換器的主要形式，也是最具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的一種矩陣變換器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 三相—三相矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.15 Three phase to three phase matrix converter topology

矩陣變換器是一種交-交變換器，其繼承了交-交變換器、Back-to-Back PWM變換器等，可四象限運(yùn)行、能量可雙向流動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，幾乎可滿足所有類型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本要求[49,50]；同時(shí)，矩陣變換器彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的交-交變換器輸出頻率范圍窄、功率因數(shù)低的缺點(diǎn)；與交-直-交變換器相比，省去了大量直流電容，有利于功率變換器的集成化；矩陣變換器通過改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)M相-N相的形式，理論上適合用于多相發(fā)電機(jī)與多相電網(wǎng)間的接口。

但矩陣變換器目前存在的問題也較為突出。矩陣變換器中的雙向開關(guān)多采用圖1～圖13中所示的結(jié)構(gòu)，大量的功率器件必然導(dǎo)致調(diào)制算法和換流控制較為復(fù)雜，從而降低了系統(tǒng)的可靠性；省去直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)后，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)不平衡、電壓跌落等故障時(shí)，矩陣變換器僅能通過調(diào)制算法保證其正常工作，因此應(yīng)對故障的實(shí)時(shí)性與可靠性不高；發(fā)電機(jī)側(cè)產(chǎn)生的諧波電流會(huì)直接反映到電網(wǎng)側(cè)，造成諧波電流污染，因此需要在發(fā)電機(jī)側(cè)增加濾波器，但隨之也增加了系統(tǒng)的體積與重量；矩陣變換器的電壓利用率較低，僅為0.866，如需提高電壓利用率，目前多采用在輸出側(cè)注入諧波分量的方法，但需以降低輸入、輸出電能質(zhì)量為代價(jià)；實(shí)際應(yīng)用中，矩陣變換器的輸入端與輸出端之間需要通過一個(gè)二極管橋式鉗位電路連接，以防止過電壓損壞主電路，因此當(dāng)變換器容量較大時(shí)，這部分保護(hù)電路所導(dǎo)致體積與重量的增加就不容忽視了。

矩陣變換器存在的諸多不足尚待完善，因此限制了其進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。目前矩陣變換器產(chǎn)品及實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的容量仍停留在數(shù)百千瓦等級(jí)上，在應(yīng)用于大容量風(fēng)力發(fā)系統(tǒng)的眾多功率變換器中，其競爭力尚顯不足。

4 永磁風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢

4.1 永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)巨型化

大容量機(jī)組能夠降低風(fēng)力發(fā)電場運(yùn)行維護(hù)成本，提高風(fēng)力發(fā)電的市場競爭力；同時(shí)提高單機(jī)容量，可以有效地降低機(jī)組的單位功率重量，提高能量的轉(zhuǎn)換效率。因此，目前風(fēng)電場所采用的并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多為兆瓦級(jí)系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)不斷取得突破，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)單機(jī)容量將進(jìn)一步擺脫功率變換器容量的束縛，預(yù)計(jì)在未來的5～10年中，單機(jī)容量超過10MW的巨型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將成為研究的熱點(diǎn)，甚至有可能成為商業(yè)化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。從目前的大容量風(fēng)力系統(tǒng)的商業(yè)化產(chǎn)品來看，永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比于其他類型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)更有可能占據(jù)巨型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。

4.2 永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)向海上發(fā)展

海上潛在的風(fēng)能資源極為豐富，空間尤為廣闊，因此，隨著開發(fā)利用技術(shù)的不斷提高和普及，海上風(fēng)力發(fā)電將成為風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的重要方向。自2007年開始，海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量增速明顯加快。目前，海上風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)利用主要集中于歐洲，截至2011年末，歐洲海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到3 813MW。計(jì)及當(dāng)前正在建設(shè)以及將要建設(shè)的海上風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目，預(yù)計(jì)在2020年歐洲海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量將達(dá)到 40 000～55 000MW；至2030年，歐洲投入使用的海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)容量有望達(dá)到150 000MW。目前，Vestas、Gamesa等風(fēng)力發(fā)電設(shè)備廠商針對歐洲海上風(fēng)力發(fā)電所設(shè)計(jì)的離岸型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)均采用永磁風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)方案。對于我國而言，海岸線長達(dá)18 000km，大陸架也極為寬廣，且沿海地區(qū)風(fēng)能資源潛力巨大，海上風(fēng)力發(fā)電具有極為廣闊的發(fā)展前景。目前，試點(diǎn)性的近海風(fēng)力發(fā)電場已在部分沿海省份建成。據(jù)《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，截至2020年，我國的海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)容量將達(dá)到1 000MW。目前，國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備廠商也較多地在離岸型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用了永磁風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)方案。由此不難看出，在海上風(fēng)能大規(guī)模利用與開發(fā)的過程中，永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將起著至關(guān)重要的作用。

4.3 核心設(shè)備性能不斷提升

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備性能的提升主要體現(xiàn)在風(fēng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、功率變換器等核心環(huán)節(jié)，這些核心設(shè)備性能的提升有助于風(fēng)能的高效利用和風(fēng)力發(fā)電的可持續(xù)發(fā)展。

對于風(fēng)機(jī)而言，目前多采用水平軸、三葉片的形式，預(yù)計(jì)該形式仍將是風(fēng)機(jī)的主流形式。但風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)單機(jī)容量不斷增大，將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉片長度也要相應(yīng)地增加，因此對葉片制造工藝和變槳控制方面提出了更高的要求，同時(shí)也成為了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前德國Enercon公司的E-126型風(fēng)機(jī)，風(fēng)輪直徑達(dá)到126m，其葉片采用兩段式的結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)在葉片連接處的剛性斷裂問題需要其他技術(shù)加以彌補(bǔ)，如采用新型制造材料、更為精確的應(yīng)力檢測技術(shù)以及更為快速的響應(yīng)控制技術(shù)等。丹麥Vestas公司的V164—7.0 MW Offshore離岸型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)輪直徑更是達(dá)到164m。

對于發(fā)電機(jī)而言，在商業(yè)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量方面，永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量增長迅速。同時(shí)，以采用混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)、高壓發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)等機(jī)組形式的新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)也處在研究嘗試階段。此外，在永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)形式方面，綜合齒輪箱可降低電機(jī)體積、發(fā)電機(jī)通過功率變換器與電網(wǎng)隔離的優(yōu)點(diǎn)，形成半直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)目前已被較多風(fēng)力發(fā)電設(shè)備廠商所采用。

在功率變換器方面，永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用全功率變換器，為順應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)整體容量不斷提升的趨勢，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率變換器在容量提升方面也需要進(jìn)一步突破。功率變換器容量的提升，可通過提升功率器件單體容量和改進(jìn)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)。在功率器件單體容量方面，當(dāng)前高端IGBT的額定電壓/電流可達(dá)到 6 500V/750A、4 500/1 200A，IGCT則可達(dá)到 6 500V/4 000A，而額定電壓高達(dá)10 000V的IGCT也已進(jìn)入了樣品研發(fā)階段。在變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，多電平與多重化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率變換器更新?lián)Q代，但變換器的調(diào)制及控制策略更為復(fù)雜，因此對其運(yùn)行可靠性提出了更高的要求。

4.4 與新型控制技術(shù)的有機(jī)結(jié)合

隨著并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)容量的不斷提升，其與電網(wǎng)互聯(lián)后對電網(wǎng)的影響更加突出，因此其運(yùn)行穩(wěn)定性和電能質(zhì)量愈顯重要，這就為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)控制技術(shù)提出新的要求和挑戰(zhàn)。目前，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無功補(bǔ)償、諧波抑制、低電壓穿越與電網(wǎng)不對稱運(yùn)行等問題均有待于進(jìn)一步加以解決?，F(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展和完善，如自適應(yīng)控制、非線性狀態(tài)反饋控制、滑模控制、魯棒控制等現(xiàn)代控制技術(shù)將與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制有機(jī)結(jié)合，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在滿足電網(wǎng)基本運(yùn)行要求的同時(shí)，能夠適應(yīng)電網(wǎng)更高層次需求，進(jìn)而增強(qiáng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。此外，網(wǎng)絡(luò)通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，為集群化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行提供了有利條件。

5 結(jié)論

永磁風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步是多個(gè)科研領(lǐng)域共同發(fā)展的結(jié)果，這種多學(xué)科的交叉將會(huì)呈現(xiàn)出愈加緊密的態(tài)勢，這些相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的快速發(fā)展必將為永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用提供重要的技術(shù)保證。此外，巨型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已成為風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，特別是海上風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的必然趨勢，作為最適合這一發(fā)展趨勢的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之一，永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)必將具有廣闊的發(fā)展前景。

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