直驅永磁式風力發(fā)電機

　　直驅永磁風力發(fā)電機取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機軸直接連接到葉輪軸上，轉子的轉速隨風速而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經過置于地面的大功率電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變成與電網同頻率的交流電輸出。

　　國際先進的無齒輪箱直驅風力發(fā)電機，多沿用低速多極永磁發(fā)電機，并使用一臺全功率變頻器將頻率變化的風電送入電網。由于齒輪箱是目前在兆瓦級風力發(fā)電機中屬于易過載和過早損壞率較高的部件，因此，沒有齒輪箱的直驅風力發(fā)電機，具備低風速時高效率、低噪聲、高壽命、減小機組體積、降低運行維護成本等諸多優(yōu)點。

　　直驅驅動式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)結構如下圖所示，風輪機直接耦合永磁風力發(fā)電機，發(fā)電機輸出由可控硅整流后，再經過逆變器將能量發(fā)送給電網或蓄電池。

圖示：直驅驅動式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)

　　直驅永磁風力發(fā)電機的基本原理，就是利用風力帶動風力機葉片旋轉，拖動直驅永磁發(fā)電機的轉子旋轉，實現(xiàn)發(fā)電。直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)和籠型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)類似，只是所采用的發(fā)電機為永磁式發(fā)電機，轉子為永磁式結構，不需外部提供勵磁電源，提高了效率。它的變頻恒速控制是在定子回路中實現(xiàn)的，把直驅永磁發(fā)電機的變頻的交流電通過變頻器轉變?yōu)殡娋W同頻的交流電，實現(xiàn)風力發(fā)電的并網，因此變頻器的容量與系統(tǒng)的額定容量相同。

　　直驅系統(tǒng)主要由風力機(這里概括為：葉片、輪轂、導航罩)、變槳機構、機艙、塔筒、偏航機構、永磁同步發(fā)電機、風速儀、風向標、變流器、風機總控系統(tǒng)等組成。就空間位置而言，交流器和風機總控系統(tǒng)一般放在塔筒底部，其余主要部件均位于塔頂。系統(tǒng)中能量傳遞和轉換路徑為：風力機把捕獲的流動空氣的動能轉換為機械能，直驅系統(tǒng)中的永磁同步發(fā)電機把風力機傳遞的機械能轉換為頻率和電壓隨風速變化而變化的不控電能，變流器把不控的電能轉換為頻率和電壓與電網同步的可控電能并饋入電網，從而最終實現(xiàn)直驅系統(tǒng)的發(fā)電并網控制。

　　系統(tǒng)所采用的發(fā)電機為永磁低速發(fā)電機，轉子為永磁式結構，無需外部提供勵磁電源，提高了效率。采用永磁發(fā)電機可做到風力機與發(fā)電機的直接耦合，省去了齒輪箱，即為直接驅動式結構，這樣可大大減小系統(tǒng)運行噪聲，提高可靠性。由于直接耦合，永磁發(fā)電機的轉速非常低，轉速一般只有幾十r/min，這樣發(fā)電機體積較大、成本較高，因此其發(fā)電機的外形有別于傳統(tǒng)電機細長外形，為直徑大而軸向長度短的結構，因電機功率與電機定子內徑的平方成正比，與鐵心長度成正比，這樣粗而短的結構還可有效利用其圓周線速度，轉子位置相對于定子即可在內亦可在外，外轉子結構效果會更佳。低速其極數(shù)必然多，永磁體可采用切向式，也可采用徑向式。消弱諧波含量和采取分數(shù)槽、分布繞組。恰當?shù)挠来沤Y構形式、合理的磁鋼厚度和極弧系數(shù)以及氣隙尺寸等措施，都可以使發(fā)電機體積盡量小。由于低速，散熱問題也需要慎重考慮，為此，在設計過程中，定子電流密度盡量選擇較低些，機座采用散熱筋式結構。

　　直驅永磁風力發(fā)電機有以下幾個方面優(yōu)點：

　　1.發(fā)電效率高：直驅式風力發(fā)電機組沒有齒輪箱，減少了傳動損耗，提高了發(fā)電效率，尤其是在低風速環(huán)境下，效果更加顯著。

　　2.可靠性高：齒輪箱是風力發(fā)電機組運行出現(xiàn)故障頻率較高的部件，直驅技術省去了齒輪箱及其附件，簡化了傳動結構，提高了機組的可靠性。同時，機組在低轉速下運行，旋轉部件較少，可靠性更高。

　　3.運行及維護成本低：采用無齒輪直驅技術可減少風力發(fā)電機組零部件數(shù)量，避免齒輪箱油的定期更換，降低了運行維護成本。

　　4.電網接入性能優(yōu)異：直驅永磁風力發(fā)電機組的低電壓穿越使得電網并網點電壓跌落時，風力發(fā)電機組能夠在一定電壓跌落的范圍內不間斷并網運行，從而維持電網的穩(wěn)定運行。

　　直驅型風力發(fā)電機組沒有齒輪箱，低速風輪直接與發(fā)電機相連接，各種有害沖擊載荷也全部由發(fā)電機系統(tǒng)承受，對發(fā)電機要求很高。同時，為了提高發(fā)電效率，發(fā)電機的極數(shù)非常大，通常在100極左右，發(fā)電機的結構變得非常復雜，體積龐大，需要進行整機吊裝維護。且永磁材料及稀土的使用增加了一些不確定因素。