廖煒僖

（大唐新能源廣西公司，廣西 桂林 541004）

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

廖煒僖

（大唐新能源廣西公司，廣西 桂林 541004）

風(fēng)力資源的有效開(kāi)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。文章根據(jù)永磁電機(jī)的類型與特點(diǎn)，對(duì)其在風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探究。

磁通方向；齒槽脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩；防失磁措施；永磁電機(jī)；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；風(fēng)力資源

1 永磁電機(jī)的應(yīng)用類型

永磁電機(jī)根據(jù)其磁通方向?yàn)榉诸悩?biāo)準(zhǔn)，主要可以劃分為徑向磁通、軸向磁通與橫向磁通三種不同磁通走向的類型。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，根據(jù)其使用功能的不同，三種永磁電機(jī)的適用形式也有所不同。

1.1 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(guò)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。

1.2 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(wú)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(wú)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(wú)槽式軸向磁通電機(jī)由于規(guī)模較大，需要的部件較多；無(wú)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。

1.3 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(guò)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(jiàn)的永磁電機(jī)之一。

2 永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)該注意的問(wèn)題

2.1 在風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程中減小齒槽脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩

電機(jī)的脈動(dòng)主要是指在永磁電機(jī)要扭轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)子永磁體與貼心的行對(duì)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的電機(jī)設(shè)備出現(xiàn)振動(dòng)的情況。電機(jī)的齒槽脈動(dòng)會(huì)發(fā)出噪音，并在一定程度上增加電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的阻力，提高能源損耗率。對(duì)電機(jī)進(jìn)行齒槽脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)，是衡量電機(jī)使用功能的重要參考依據(jù)。為此在風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)中運(yùn)用永磁電機(jī)時(shí)，應(yīng)運(yùn)用合理的手段降低電機(jī)的齒槽脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，提高永磁電機(jī)的使用性能。

首先，采取合理的分?jǐn)?shù)槽的繞組方式是實(shí)現(xiàn)齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)保持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的重要方式之一。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，每極每相分?jǐn)?shù)槽繞組的公式中每極每相槽數(shù)與電機(jī)的槽數(shù)成正比，級(jí)數(shù)越小，齒槽轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)越小。通過(guò)降低級(jí)數(shù)與槽數(shù)可以有效控制齒槽轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，將噪音與振動(dòng)控制在合理的范圍內(nèi)。

其次，對(duì)極弧系數(shù)的科學(xué)選擇。極弧系數(shù)即電機(jī)的磁極寬度與極距比例系數(shù)，對(duì)永磁體與鐵心相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離與位置有著重要的影響。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況與其技術(shù)要求，對(duì)極弧系數(shù)進(jìn)行合理的選取，不僅能夠有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，還可以通過(guò)對(duì)磁通大小的控制，對(duì)電機(jī)能源的損耗程度與成本進(jìn)行管控。因此，為保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率，提升能源的使用效率，降低無(wú)效成本的投入，對(duì)電機(jī)的極弧系數(shù)進(jìn)行選取時(shí)，要對(duì)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的運(yùn)行要求實(shí)現(xiàn)綜合性的考慮分析，在降低齒槽脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的合理配置。

最后，通過(guò)對(duì)斜定子槽或磁極的控制，降低脈動(dòng)。這種對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的消除方式在過(guò)去較為常見(jiàn)，但由于其加工工藝過(guò)于復(fù)雜，增加了電機(jī)的使用成本，因此已經(jīng)逐漸被其他模式取代。

2.2 永磁體的防失磁措施

永磁電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的主要運(yùn)轉(zhuǎn)方式是通過(guò)轉(zhuǎn)子永磁體、鐵心運(yùn)動(dòng)等方式來(lái)為風(fēng)力發(fā)電提供動(dòng)力的，為此保證電機(jī)的磁性能不受影響是確保風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。對(duì)電機(jī)電磁性能的防護(hù)，不僅包括對(duì)設(shè)備防氧化、防腐蝕等機(jī)械設(shè)備的養(yǎng)護(hù)，同時(shí)還應(yīng)采取科學(xué)的方法，防止電機(jī)磁性能的減退。永磁電機(jī)的制造與加工通常采用特殊材料：釹鐵硼。針對(duì)這種材料的使用與養(yǎng)護(hù)特點(diǎn)，主要從兩個(gè)方面確保電機(jī)的電磁穩(wěn)定性，電機(jī)運(yùn)行環(huán)境與設(shè)備自身的溫度要保持在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)；電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的磁場(chǎng)不能超過(guò)臨界值。針對(duì)永磁電機(jī)的使用特點(diǎn)，其主要的預(yù)防措施包括以下三點(diǎn)：

首先，針對(duì)永磁電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)，為確保轉(zhuǎn)子的溫度不超過(guò)臨界值，應(yīng)在機(jī)體部分使用耐高溫的制作材料，一般要求材料可以承受150℃以上的溫度，并且不會(huì)影響電機(jī)的使用。

其次，在永磁電機(jī)進(jìn)行風(fēng)能發(fā)電時(shí)，保證其工作環(huán)境符合標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)要確保設(shè)備的散熱系統(tǒng)運(yùn)行正常，能夠及時(shí)降低設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)溫度。在電機(jī)工作的實(shí)踐環(huán)節(jié)，對(duì)溫度的分布情況進(jìn)行測(cè)試，針對(duì)高溫區(qū)域進(jìn)行散熱，保證其溫度不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，降低對(duì)材料的磨損，保障風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

最后，應(yīng)考慮永磁電機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況，對(duì)電機(jī)的規(guī)模、型號(hào)進(jìn)行合理的選擇。永磁電機(jī)的失磁情況并不是整體磁性能的退化，而是從局部工作點(diǎn)開(kāi)始，因此在永磁電機(jī)的選擇上要實(shí)現(xiàn)對(duì)其矯頑力進(jìn)行有效的測(cè)試，選擇在最大去磁條件下，工作點(diǎn)在退磁數(shù)值之上的永磁電機(jī)。

3 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(lái)越多的發(fā)電廠開(kāi)始以風(fēng)力能源作為發(fā)電系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿ΓL(fēng)力發(fā)電機(jī)開(kāi)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(kāi)發(fā)，以期為供電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供更加有力的保障。

3.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)型式

在電機(jī)的結(jié)構(gòu)方面，可以通過(guò)增加設(shè)備直徑，提高其運(yùn)動(dòng)速度來(lái)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(wú)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。

3.2 電機(jī)冷卻技術(shù)

近年來(lái)，電機(jī)冷卻技術(shù)研發(fā)非?；钴S，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。近來(lái)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用先進(jìn)冷卻技術(shù)的研究十分活躍，在開(kāi)發(fā)傳統(tǒng)冷卻功能的基礎(chǔ)上，對(duì)電機(jī)的蒸發(fā)冷技術(shù)與高溫超導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行了深度技術(shù)挖掘。

3.3 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(lái)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。

3.4 電機(jī)制造工藝

電機(jī)制造采用模塊化方向發(fā)展，主要是因?yàn)樵摲N制作方式具有便于制造、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)安裝以及檢修等。

3.5 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(guò)大，繞組出線過(guò)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。

4 結(jié)語(yǔ)

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(lái)。然而，由于永磁電機(jī)的生產(chǎn)、加工過(guò)程中需要大量的稀土材料，其生產(chǎn)成本較高，無(wú)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。

[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)，2013.

[2]席云，李嘯驄，鹿建成，等．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(kāi)關(guān)，2015，53（3）.

[3]張敏．基于輸出調(diào)節(jié)的永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制[D]．哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[4]田兵，趙克，孫東陽(yáng)，等．改進(jìn)型變步長(zhǎng)最大功率跟蹤算法在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，31（6）.

（責(zé)任編輯：王 波）

TM273

1009-2374（2017）12-0134-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.069

廖煒僖（1968-），男，湖南新化人，大唐新能源廣西公司工程師，研究方向：電力工程技術(shù)（偏管理）、風(fēng)力發(fā)電。

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