直驱式外转子永磁风力发电机结构

第一章双PWM型变流电路简介本文讨论克驱式风电系统的一种电力变换装拓扑结构，选取背靠背双PWM型变流电路为研究对彖.直驱式风电系统结构原理如图1-1所示。

风轮电机图1-1永磁同步电机直驱式风力发电系统并网结构图双脉宽调制(pulse-width modulation, PWM)变流器是由2个电压源型变流器(voltage source converter, VSC)背靠背连接构成，2 VSC直流侧通过直流母线并联，两极直流母线Z间并联滤波电容器以提高直流电压的电能品质。

由于该电路结构是完全镜面对称的，文献中称这种结构为背靠背连接。

背靠背双PWM变流器以其控制功能灵活、交流侧功率因数可调和直流电压可控等诸多优点，在轻型直流输电、统潮流控制器和柔性功率调节器等柔性交流输电技术领域中获得了广泛的应用。

该电路拓扑结构如图1-2所示，整流和逆变部分都采用PWM三相桥实现，这种结构的优点：输入电流为正弦波，减少了发电机的铜耗和铁耗；发电机功率因数可调节为1,且能够与大阻抗的同步发电机相联接。

凤轮图1-2三相电压型PWM逆变器的拓扑结构第二章双PWM变流器动态数学模型三相桥式拓扑结构构中交流侧采用三相对称的无中线连接方式, 图中L代表交流侧滤波电感参数，R为电感中的寄生电阻，图中直流电压源1｝血代表并网变流器直流母线电压，同时也是与发电机转了绕组相连的变流器直流母线电压。

为建立三相电压源型并网变流器的数学模型，根据其其拓扑结构，首先作以下假设：1.电网电动势为平稳的纯正弦波电动势（e a,e b,e c）o2・主电路开关元器件为理想开关，无损耗。

3・三相参数是对称的。

4・网侧滤波电感L是线性的，且不考虑饱和。

以A相为例，当VI导通V2关断时，直流电源Ude正极直接加到节点a处，由图可知，U M1 =U dc/2；当V2导通VI关断时，直流电源Ude负极接于节点a处，同理可知，=-U dc/2,同理易知节点b和c也是根据上下MOS管V5、V6 ）导通情况决定其电位的，由此可见，三相中任一相输出的相电压都有正负两个电平，因此这种结构的逆变器称为三相两电平逆变器。

永磁直驱风力发电机结构：永磁直驱风力发电机的结构主要包括风轮、永磁同步发电机、机架及偏航系统、主控系统、变流器、空－空循环冷却系统、液压系统、润滑系统、变压器、中央监控系统、塔架和机舱等部分。

风轮是永磁风力发电机的核心部件，也是最直接受到风能作用的部分。

它由多个叶片组成，通过风力的作用使得风轮旋转。

风轮通常采用可调角度的叶片设计，以便在不同风速下获得最高效率的转动。

发电机通过法兰与风轮直接相连，省去了影响风机可靠性的最薄弱环节———齿轮箱，以及主轴系统、联轴器等传动部件。

风轮与发电机转子直联，简化了结构，缩短了传动链，最大限度地提高了机组的可靠性和传动效率。

机架和偏航系统支持整个发电机组的运行，并能根据风向的变化自动调整机舱的角度，以保证风轮始终对准风向，提高发电效率。

主控系统负责整个发电机组的运行控制，包括启动、停机、偏航、故障保护等功能。

变流器将发电机产生的电能转换为符合电网要求的电能，空－空循环冷却系统则负责冷却发电机和变流器等发热部件。

液压系统和润滑系统则分别提供机组运行所需的液压动力和润滑。

此外，永磁直驱风力发电机还包括变压器、中央监控系统、塔架和机舱等部分。

变压器将发电机产生的电能升压后送入电网，中央监控系统则负责监控整个发电机组的运行状态和性能。

塔架和机舱则构成了发电机组的支撑结构和运行环境。

永磁风机结构
永磁风机是一种利用永磁材料制成电磁体的直驱发电机，它具有高效率、低噪音、可靠性强等特点，在风能领域有着广泛的应用。

永磁风机结构主要由发电机、传动系统、变桨机构、塔架和控制系统组成。

其中发电机是永磁风机最关键的部分，它是将机械能转化为电能的核心部分。

发电机由转子和定子两部分组成，其中转子由永磁材料组成，可靠性高，定子则由铜线和铁芯构成。

在永磁风机的发电机中，永磁体固定在转子上，直接转动，由此产生电力。

由于永磁体不需要额外的电力来激励，这种发电机可以大大提高发电机的能效比，并且减少了发电机的重量和体积。

传动系统包括主轴、齿轮箱和发电机。

主轴是风机的转动部分，齿轮箱则是将主轴的转速变换为发电机所需要的转速。

为了适应不同的风速，永磁风机还配备了变桨机构，用来调节叶片的角度，提高风机的效率。

塔架是将风机固定在地面或者水下的支架，以保证风机稳定运行。

控制系统则负责调节发电机、变桨机构和传动系统的运行状态，确保风
机在不同的风速下都能正常发电。

总之，永磁风机的结构简单、可靠性高、效率较高，在未来的风能利用中，具有广阔的发展前景。

直驱式风力发电机原理及发电机组概述二极三相交流发电机转速约每分钟3000转，四极三相交流发电机转速约每分钟1500转，而风力机转速较低，小型风力机转速约每分钟最多几百转，大中型风力机转速约每分钟几十转甚至十几转，必须通过齿轮箱增速才能带动发电机以额定转速旋转。

下图是一台采用齿轮箱增速的水平轴风力发电机组的结构示意图。

使用齿轮箱会降低风力机效率，齿轮箱是易损件，特别大功率高速齿轮箱磨损厉害、在风力机塔顶环境下维护保养都较困难。

不用齿轮箱用风力机浆叶直接带动发电机旋转发电是可行的，这必须采用专用的低转速发电机，称之为直驱式风力发电机。

近些年直驱式风力发电机已从小型风力发电机向大型风力发电机应用发展，国内具有自主知识产权的2MW永磁直驱风力发电机已研制成功，据报道目前国外最大的风力发电机组已达7MW，是直驱式发电机组。

低转速发电机都是多极结构，水轮发电机就是低速多极发电机，风力机用的直驱式发电机也有类似原理构造，一种多极内转子结构，只是要求在结构上更轻巧一些。

近些年高磁能永磁体技术发展很快，特别是稀土永磁材料钕铁硼在直驱式发电机中得到广泛应用。

采用永磁体技术的直驱式发电机结构简单、效率高。

永磁直驱式发电机在结构上主要有轴向与盘式结构两种，轴向结构又分为内转子、外转子等；盘式结构又分为中间转子、中间定子、多盘式等；还有开始流行的双凸极发电机与开关磁阻发电机。

下图是一个内转子直驱式风力发电机组的结构示意图。

其定子与普通三相交流发电机类似，转子由多个永久磁铁构成。

外转子永磁直驱式风力发电机的发电绕组在内定子上，绕组与普通三相交流发电机类似；转子在定子外侧，由多个永久磁铁与外磁軛构成，外转子与风轮轮毂安装成一体，一同旋转。

本栏有对外转子直驱式风力发电机的专门介绍，下图是一个外转子直驱式风力发电机组的结构示意图。

盘式永磁直驱式风力发电机的定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向排列，有中间转子、中间定子、多盘式等结构，本栏有对中间转子与中间定子直驱式风力发电机的专门介绍，下图是一个中间定子直驱盘式风力发电机组的结构示意图。

永磁同步风力发电系统的系统基本组成、工作原理、控制模式论述1.系统的基本组成：直驱式同步风力发电系统主要采用如下结构组成：风力机（这里概括为：叶片、轮毂、导航罩）、变桨机构、机舱、塔筒、偏航机构、永磁同步发电机、风速仪、风向标、变流器、风机总控系统等组成。

其中全功率变流器又可分为发电机侧整流器、直流环节和电网侧逆变器。

就空间位置而言，变流器和风机总控系统一般放在塔筒底部，其余主要部件均位于塔顶。

2.工作原理：系统中能量传递和转换路径为：风力机把捕获的流动空气的动能转换为机械能，直驱系统中的永磁同步发电机把风力机传递的机械能转换为频率和电压随风速变化而变化的不控电能，变流器把不控的电能转换为频率和电压与电网同步的可控电能并馈入电网，从而最终实现直驱系统的发电并网控制。

3.控制模式：风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。

它不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组运行进行控制。

而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。

风力发电控制系统的基本目标分为三个层次：分别为保证风力发电机组安全可靠运行，获取最大能量，提供良好的电力质量。

控制系统主要包括各种传感器、变距系统、运行主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。

具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、自动最大功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、自动解缆、并网和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控。

一、系统运行时控制：1、偏航系统控制：偏航系统的控制包括三个方面：自动对风、自动解缆和风轮保护。

1)自动对风正常运行时偏航控制系统自动对风，即当机舱偏离风向一定角度时，控制系统发出向左或向右调向的指令，机舱开始对风，当达到允许的误差范围内时，自动对风停止。

2)自动解缆当机舱向同一方向累计偏转2~3圈后，若此时风速小于风电机组启动风速且无功率输出，则停机，控制系统使机舱反方向旋转2~3圈解绕；若此时机组有功率输出，则暂不自动解绕；若机舱继续向同一方向偏转累计达3圈时，则控制停机，解绕；若因故障自动解绕未成功，在扭缆达4圈时，扭缆机械开关将动作，此时报告扭缆故障，自动停机，等待人工解缆操作。

永磁同步发电机的结构直驱式永磁发电机在结构上主要有轴向与盘式两种结构，轴向结构又分为内转子、外转子等；盘式结构又分为中间转子、中间定子、多盘式等；另外还有双凸极发电机与开关磁阻发电机。

一、内转子永磁同步发电机1.结构模型图6-9为内转子永磁同步风力发电机组的结构模型。

与普通交流电机一样，永磁同步发电机也由定子和转子两部分组成，定子、转子之间有空气隙，转子由多个永久磁铁构成。

图6-10为内转子永磁同步发电机的结构模型。

图6-9 内转子永磁同步风力发电机组的结构模型图6-10 内转子永磁同步发电机的结构模型2.定子结构永磁同步发电机的定子铁芯通常由0.5mm厚的硅钢片制成以减小铁耗，上面冲有均匀分布的槽，槽内放置三相对称绕组。

定子槽形通常采用与永磁同步电动机相同的半闭口槽，如图6-11所示。

为有效削弱齿谐波电动势和齿槽转矩，通常采用定子斜槽。

定子绕组通常由圆铜线绕制而成，为减少输出电压中的谐波含量，大多采用双层短距和星形接法，小功率电机中也有采用单层绕组的，特殊场合也采用正弦绕组。

3.转子结构由于永磁同步发电机不需要起动绕组，转子结构比异步启动永磁同步电动机简单，有较充足的空间放置永磁体。

转子通常由转子铁芯和永磁体组成。

转子铁芯既可以由硅钢片叠压而成，也可以是整块钢加工而成。

根据永磁体放置位置的不同，将转子磁极结构分为表面式和内置式两种。

表面式转子结构的永磁体固定在转子铁芯表面，结构简单，易于制造。

内置式转子结构的永磁体位于转子铁芯内部，不直接面对空气隙，转子铁芯对永磁体有一定的保护作用，转子磁路的不对称产生磁阻转矩，相对于表面式结构可以产生更强的气隙磁场，有助于提高电机的过载能力和功率密度，但转子内部漏磁较大，需要采取一定的隔磁措施，转子结构和加工工艺复杂，且永磁体用量多。

图6-11 典型永磁同步发电机的结构示意图1—定子铁芯；2—定子槽；3—转子铁芯；4—永磁体；5—轴二、外转子永磁同步发电机1.外转子永磁同步风力发电机组外转子永磁同步风力发电机的发电绕组在内定子上，绕组与普通三相交流发电机类似；转子在定子外侧，由多个永久磁铁与外磁轭构成，外转子与风轮轮毂安装成一体，一同旋转。

3.0MW直驱式风力发电机组简介直驱永磁风力发电机取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到叶轮轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。

国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机，用低速多极永磁发电机，并使用一台全功率变频器将频率变化的风电送入电网。

直接驱动式风力发电机组由于没有齿轮箱，零部件数量相对传统风电机组要少得多。

其主要部件包括：叶轮叶片、轮毂、变桨系统、发电机转子、发电机定子、偏航系统、测风系统、底板、塔架等（如图1.1 所示）。

1.1 直驱型风力发电机总体设计方案直驱型风力发电机组采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、直接驱动、永磁同步发电机并网的总体设计方案，相对于传统的异步发电机组其优点如下[1]：1（1）由于传动系统部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性和可利用率；2（2）永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率；3（3）机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音；4（4）可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本；5（5）机械传动部件的减少降低了机械损失，提高了整机效率；6（6）利用变速恒频技术，可以进行无功补偿；7（7）由于减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。

2 直驱风力发电机组变桨特性叙述直驱型风力发电机组为变桨距调节型风机，叶片在运行期间，它会在风速变化的时候绕其径向轴转动。

因此，在整个风速范围内可能具有几乎最佳的桨距角和较低的切入风速。

在高风速下，改变桨距角以减少功角，从而减小了在叶片上的气动力。

这样就保证了叶轮输出功率不超过发电机的额定功率。

对于变桨距调节后对的功率特性的影响等等问题，这里我们将对机组叶片上的气动性能进行分析，从而进一步的了解变桨后，对风力发电机组的性能影响2.1 不同变桨角度下的特性根据叶素理论，当一个叶素在流畅中运动时，叶素的上表面是负压力（吸力）；下表面是正压力。

直驱式永磁同步风力发电机组简介
直驱式永磁同步发电机采用永磁体外转子结构，相比较同功率的风力发电机组，尺寸和外径相对较小。

直驱永磁同步发电机组是风带动叶轮直接驱动转子转动，靠增加磁极的对数使发电机的额定转速下降达到转速调节的目的。

由于发电机组不需要增速齿轮箱，一般故障现象如润滑油泄漏，齿轮箱过载，机械损大等问题也减少很多，直接降低客户后期的运维成本。

直驱式永磁同步风力发电机组可以通过变桨系统来控制风力发电机组输出的最大功率，同时也会控制有功功率的上升变化率功能。

当风电场的风速急剧上升时，通过控制变桨的角度，风力发电机组不会出现因功率急剧上升载荷突然增大引起风机安全事故的情况。

同时永磁风力发电机组具备机端电压控制控制功能，机组具备有一定的无功调节能力，当系统出现电压波动时，可以控制和稳定机端电压。

直驱永磁同步发电机采用全功率变流器来实现并网，初始发电机发出交流电的电压和频率还有相位都不稳定。

需要通过整流单元整流变成直流电，经过电压升高，将电能输送到直流母排上，通过逆变单元把直流电逆变成能够和电网相匹配的电能。

变流器机侧和网侧有各有独立的控制器，各个系统之间通过控制器通讯进行数据交换和控制。

直驱永磁同步式发电机原理
直驱永磁同步式发电机是一种利用永磁材料和直驱技术的发电机，其原理基于电磁学和磁学的基本原理。

以下是直驱永磁同步式发电机的基本工作原理：
1.永磁同步发电机结构：直驱永磁同步式发电机通常由转子和定
子两部分组成。

转子上嵌有永磁体，这些永磁体通常是稀土磁体，如钕
铁硼（NdFeB）。

定子上则布置有线圈。

2.永磁场产生：当转子旋转时，永磁体在转子上产生一个稳定的
磁场。

这个永磁场是由永磁体的磁性质所提供的，它可以保持在整个转
子旋转过程中不变。

3.电磁感应：定子上的线圈被永磁体的磁场穿过，根据法拉第电
磁感应定律，感应出电动势。

线圈上的导体通过这个感应电动势产生电
流。

4.直驱技术：直驱指的是发电机的转子直接与风力发电机的转子
（通常是风力涡轮机）相连接，而不需要传统的齿轮箱。

这减少了机械
部件，提高了传动效率，并减少了维护成本。

5.输出电能：通过调节定子上的电流，可以获得所需的输出电
能。

输出电流的交流特性可以通过逆变器进行转换，以匹配电网或存储
系统的要求。

直驱永磁同步式发电机的主要优点包括效率高、维护成本低、启动转矩大等特点。

这种发电机常用于风力发电系统，其中直驱技术可以提高整个风力涡轮系统的可靠性和效率。