直驅(qū)永磁式風(fēng)力發(fā)電機(jī)

　　直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機(jī)軸直接連接到葉輪軸上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經(jīng)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(wǎng)同頻率的交流電輸出。

　　國(guó)際先進(jìn)的無(wú)齒輪箱直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，多沿用低速多極永磁發(fā)電機(jī)，并使用一臺(tái)全功率變頻器將頻率變化的風(fēng)電送入電網(wǎng)。由于齒輪箱是目前在兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，具備低風(fēng)速時(shí)高效率、低噪聲、高壽命、減小機(jī)組體積、降低運(yùn)行維護(hù)成本等諸多優(yōu)點(diǎn)。

　　直驅(qū)驅(qū)動(dòng)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示，風(fēng)輪機(jī)直接耦合永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)輸出由可控硅整流后，再經(jīng)過逆變器將能量發(fā)送給電網(wǎng)或蓄電池。

圖示：直驅(qū)驅(qū)動(dòng)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

　　直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本原理，就是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)，拖動(dòng)直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電。直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和籠型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類似，只是所采用的發(fā)電機(jī)為永磁式發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu)，不需外部提供勵(lì)磁電源，提高了效率。它的變頻恒速控制是在定子回路中實(shí)現(xiàn)的，把直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)的變頻的交流電通過變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)同頻的交流電，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)，因此變頻器的容量與系統(tǒng)的額定容量相同。

　　直驅(qū)系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)(這里概括為：葉片、輪轂、導(dǎo)航罩)、變槳機(jī)構(gòu)、機(jī)艙、塔筒、偏航機(jī)構(gòu)、永磁同步發(fā)電機(jī)、風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)、變流器、風(fēng)機(jī)總控系統(tǒng)等組成。就空間位置而言，交流器和風(fēng)機(jī)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(zhuǎn)換路徑為：風(fēng)力機(jī)把捕獲的流動(dòng)空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，直驅(qū)系統(tǒng)中的永磁同步發(fā)電機(jī)把風(fēng)力機(jī)傳遞的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為頻率和電壓隨風(fēng)速變化而變化的不控電能，變流器把不控的電能轉(zhuǎn)換為頻率和電壓與電網(wǎng)同步的可控電能并饋入電網(wǎng)，從而最終實(shí)現(xiàn)直驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)電并網(wǎng)控制。

　　系統(tǒng)所采用的發(fā)電機(jī)為永磁低速發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu)，無(wú)需外部提供勵(lì)磁電源，提高了效率。采用永磁發(fā)電機(jī)可做到風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接耦合，省去了齒輪箱，即為直接驅(qū)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，這樣可大大減小系統(tǒng)運(yùn)行噪聲，提高可靠性。由于直接耦合，永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速非常低，轉(zhuǎn)速一般只有幾十r/min，這樣發(fā)電機(jī)體積較大、成本較高，因此其發(fā)電機(jī)的外形有別于傳統(tǒng)電機(jī)細(xì)長(zhǎng)外形，為直徑大而軸向長(zhǎng)度短的結(jié)構(gòu)，因電機(jī)功率與電機(jī)定子內(nèi)徑的平方成正比，與鐵心長(zhǎng)度成正比，這樣粗而短的結(jié)構(gòu)還可有效利用其圓周線速度，轉(zhuǎn)子位置相對(duì)于定子即可在內(nèi)亦可在外，外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)效果會(huì)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?jǐn)?shù)槽、分布繞組。恰當(dāng)?shù)挠来沤Y(jié)構(gòu)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(jī)體積盡量小。由于低速，散熱問題也需要慎重考慮，為此，在設(shè)計(jì)過程中，定子電流密度盡量選擇較低些，機(jī)座采用散熱筋式結(jié)構(gòu)。

　　直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)有以下幾個(gè)方面優(yōu)點(diǎn)：

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

　　2.可靠性高：齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)故障頻率較高的部件，直驅(qū)技術(shù)省去了齒輪箱及其附件，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)組的可靠性。同時(shí)，機(jī)組在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)部件較少，可靠性更高。

　　3.運(yùn)行及維護(hù)成本低：采用無(wú)齒輪直驅(qū)技術(shù)可減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組零部件數(shù)量，避免齒輪箱油的定期更換，降低了運(yùn)行維護(hù)成本。

　　4.電網(wǎng)接入性能優(yōu)異：直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越使得電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在一定電壓跌落的范圍內(nèi)不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，從而維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組沒有齒輪箱，低速風(fēng)輪直接與發(fā)電機(jī)相連接，各種有害沖擊載荷也全部由發(fā)電機(jī)系統(tǒng)承受，對(duì)發(fā)電機(jī)要求很高。同時(shí)，為了提高發(fā)電效率，發(fā)電機(jī)的極數(shù)非常大，通常在100極左右，發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜，體積龐大，需要進(jìn)行整機(jī)吊裝維護(hù)。且永磁材料及稀土的使用增加了一些不確定因素。