哈尔滨工业大学 《交流永磁同步电机理论》课程报告题目：永磁同步风力发电机的设计 院 (系) 电气工程及其自动化 学科电气工程 授课教师 学号 研究生 二〇一四年六月
第1章小型永磁发电机的基本结构 小型风力发电机因其功率低，体积小，一般没有减速机构，多为直驱型。发电机型式多种多样，有直流发电机、电励磁交流发电机、永磁电机、开关磁阻电机等。其中永磁电机因其诸多优点而被广泛采用。 1.1小型永磁风力发电机的基本结构 按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，永磁发电机可分为径向式、切向式和轴向式。 （1）径向式永磁发电机径向式转子磁路结构中永磁体磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，漏磁系数较切向结构小，径向磁化结构中的永磁体工作于串联状态，只有一块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通，因此气隙磁密相对较低。这种结构具有简单、制造方便、漏磁小等优点。 径向磁场永磁发电机可分为两种：永磁体表贴式和永磁体内置式。表贴式转子结构简单、极数增加容易、永磁体都粘在转子表面上，但是，这需要高磁积能的永磁体（如钕铁硼等）来提供足够的气隙磁密。考虑到永磁体的机械强度，此种结构永磁电机高转速运行时还需转子护套。内置式转子机械强度较高，但制造工艺相对复杂，制造费用较高。 径向磁场电机用作直驱风力发电机，大多为传统的内转子设计。风力机和永磁体内转子同轴安装，这种结构的发电机定子绕组和铁心通风散热好，温度低，定子外形尺寸小；也有一些外转子设计。风力机与发电机的永磁体外转子直接耦合，定子电枢安装在静止轴上，这种结构有永磁体安装固定、转子可靠性好和转动惯量大的优点，缺点是对电枢铁心和绕组通风冷却不利，永磁体转子直径大，不易密封防护、安装和运输[1]。表贴式和径向式的结构如图1-1 a)所示。 a)径向式结构 b)切向式结构
你好,你的这个问题问的比较广。我大概给你阐述下,对于现在国内国外大型水平轴风力发电机组,有双 馈机和永磁直驱发电机。 永磁直驱发电机顾名思义是在传动链中不含有增速齿轮箱。 总所周知,一般发电机要并网必须满足相位、幅频、周期同步。而我国电网频率为50hz这就表示发电机要发出50hz的交流电。学过电机的都知道。转速、磁极对数、与频率是有关系的n=60f/p。 所以当极对数恒定时,发电机的转速是一定的。所以一般双馈风机的发电机额定转速为1800r/min。而叶轮转速一般在十几转每分。这就需要在叶轮与发电机之间加入增速箱。 而永磁直驱发电机是增加磁极对数从而使得电机的额定转速下降,这样就不需要增速齿轮箱,故名直驱。而齿轮箱是风力发电机组最容易出故障的部件。所以,永磁直驱的可靠性要高于双馈。 对于永磁直驱发电机的磁极部分是用钕铁硼的永磁磁极,原料为稀土。 风轮吸收风能转化为机械能通过主轴传递给发电机发电,发出的电通过全功率变流器之后过升压变压器上网。 不知道有木有解释清楚。 还有什么不清楚可以继续追问,知无不言。 风力发电机也在逐步的永磁化。采用永磁风力发电机,不仅可以提高发电机的效率,而且能在增大电机容量的同时,减少体积,并且因为发电机采用了永磁结构,省去了电刷和集电环等易耗机械部件,提高了系统的可靠性,这也是风电发电机的发展趋势之一。
风力机的直驱化也是当前的一个热点趋势。目前大多风电系统发电机与风轮 并不是直接相连,而是通过变速齿轮相连,这种机械装置不仅降低了系统的效率,增加了系统的成本,而且容易出现故障,是风力发电急需解决的瓶颈问题。直驱式风力发电机可以直接与风轮相连,增加了系统的稳定性,同时增大了电机的体积和设计制造以及控制的难度。直驱型风力发电系统是采用风轮直接驱动多极低速永磁同步发电机发电,通过功率变换电路将电能转换后并入电网,相对于双馈型发电系统,直驱式发电机采用较多的极对数,使得在转速较低时,发电机定子电压输出频率仍然比较高,完全可以在电机的额定等级下工作,并且其定子输出电压通过变流器后再和电网相接,定子频率变化并不会影响电网频率。在直驱风力发电系统中风机与发电机直接耦合,省去了传统风力发电系统中的国内难以自主生产且故障率较高的齿轮箱这一部件,减少了发电机的维护工作,并且降低了噪音。另外其不需要电励磁装置,具有重量轻、效率高、可靠性好的优点。 直驱永磁发电机与双馈异步发电机技术相比,由于不需要转子励磁,没有增速 齿轮箱,效率要比双馈发电机高出20%以上,年发电量要比同容量的双馈机型高;增 速齿轮箱故障较高,维护保养成本高,直驱永磁发电机不需要齿轮箱,易于维修保养;直驱永磁发电机采用全功率的交-直-交变频技术,与电网隔离,具有低电压穿越能力,对电网友好; 直驱永磁发电机的缺点是稀土永磁材料成本高,导致整机成本相对较高,永磁 材料在高温、震动和过电流情况下,有可能永久退磁,致使发电机整体报废,这是直驱永磁发电机的重大缺陷。
风电《永磁风力发电机制造技术规范》解读 永磁风力发电机更能适应低风速，且耗能较少、后续维护成本低，这一机型的相关技术已经得到行业的广泛关注。《永磁风力发电机制造技术规范》的标准中，不仅包括永磁风力发电机的基本要求和技术要求，还包括了永磁风力发电机的试验方法，形成了一个完整的技术标准。这个标准的制定和实施，必将扩大永磁风力发电机在发电行业的广泛应用，促进永磁风力发电机新的技术发展。”一位不愿具名的参与该标准编制的专家告诉《每周能源观察》。 该专家表示，从综合情况来看，我国低风速的三类风区占到全部风能资源的50%左右，更适合使用永磁风电机组，因此，作为风力发电的关键设备，永磁风机将是我国风力发电机未来的发展趋势。 标准应用针对性更强 在《永磁风力发电机制造技术规范》标准中，对永磁风力发电机的技术要求和试验方法进行了规定，适用于风力发电应用的永磁同步发电机。同时强调只是关于风力发电机的永磁电机技术要求，而不涉及到测速发电机、副励磁机等永磁电机。 据了解，一般大型风力发电系统都采用增速机将风力机的转速提高再驱动发电机。然而，采用增速机不仅增加了振动和噪声，而且由于润滑系统和机械磨损需要定期维护，增速机成为风电机组故障率较高的薄弱环节。现代风力发电技术的发展趋势一是无刷化，二是采用取消增速机的风力机直接驱动低速发电机，其中最典型的是直接驱动永磁风力发电机。 “永磁发电机的优点是不需要电励磁，可实现无刷化，无励磁损耗、效率高，可以提高电机的功率密度。虽然发电机成本增加，但对于降低机组的振动噪声和提高运行可靠性有着重要的意义。”哈尔滨电机厂某专家向《每周能源观察》表示。 电压调整率不超过20% 针对风力发电机应用的特殊性，《永磁风力发电机制造技术规范》标准对电压调整率进行了定义。即热态下，额定转速时的空载电压和额定电压之差与额定电压的比值，通常以百分数表示。同时要求发电机的电压调整率应与全功率变流器相匹配，永磁风力发电机电压调整率应不超过20%。 专家解释，电压调整率是发电机的一项重要指标，它决定了输出的电能品质，在发电机的设计当中起着重要而不可忽略的作用。对于发电机电压调整率的测定，应在温升试验后或热状态下进行。试验时，保持发电机转速为额定转速，发电机输出由空载到额定功率，测定发电机定子端电压有效值。 《标准》中对电压调整率测定的试验方法作了详细说明。被试永磁电机与拖动电机同轴相连，作发电机运行。拖动电机由一台电力变频器供电，由电力变频器和拖动电机对被试永磁电机进行转速、电压和功率的调节。此外，被试电机也可通过其他的负载运行方式，调节到额定工况下进行试验。
直驱风力发电机分类 直驱式风力发电机组在我国是一种新型的产品，但在国外已经发展了很长时间。目前我国在直驱式风机中系统的研究相对传统机型较少，但开发直驱式风力发电机组也是我国日后风机制造的趋势之一。 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。另外一些无齿轮箱直驱风力发电机，沿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。 我国主要的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）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）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）机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音； （4）可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本； （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）利用变速恒频技术，可以进行无功补偿； （7）由于减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。
永磁式硅整流风力发电机设计 小型永磁式硅整流风力发电机，由于采用了永磁体励磁，省去了碳刷、滑环及励磁绕组，避免了碳刷与滑环引起的火花放电，且工艺简单、维护方便、效率较高。但由于永磁式发电机的磁场无法人工调节，在电机制成之后，输出电压随风速(转速)的变化而波动。而其所带负载—蓄电池及用电设备则要求供电电压恒定不变。当供电电压较低时，对蓄电池无法充电，用电设备无法长期工作，而当电压超过额定值较多时，则会造成蓄电池的过充损伤，降低使用寿命，严重的可能烧坏用电设备。图1表示风力发电机输出电压对12V灯泡发光强度及使用寿命的关系特性。
（ 二〇一四年三月 风力发电系统综合设计 风力发电系统综合设计 题 目：5KW 永磁风力发电机仿真 学生姓名：xxxx 学 院：电力学院 系 别：电力系 专 业：风能与动力工程 班 级：x x x x 指导教师：xxxx
一、设计要求 对5KW永磁同步风力发电机进行仿真，要求查阅相关资料，选取合适的风机数据，通过MATLANB进行仿真，实现并网，并且各方面数据复合并网要求。 本设计开发的风力发电价为5KW直驱式永磁风力发电机，通过掌握电机设计的原理特点，熟悉永磁电机基本原理和应用，完成并设计出5KW永磁式风力发电机，完成后，并对 设计的电机进行各性能的计算，从而得出符合本设计的要求。 二、基本原理 在风力发电风力发电领域基于双馈感应发电机与PMSG的风电系统应用最为广泛。由于PMSG风电系统具有运行效率高、调速范围宽等优点, 且无需齿轮箱、滑环与电刷等，已成为大功率、海上风电领域极具潜力的发展方向。 5K永磁同步发电机是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电 机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去驱型风力发电机齿轮箱这一传统部件。 直驱风力发电机的优点是： 由于零件和系统的数量减少，维修工作量大大降低。最近开发的直驱机型多数是永磁同步发电机，不需要激磁功率，传动环节少，损失少，风能利用率高。运动部件少，由磨损等引起的故障率很低，可靠性高。采用全功率逆变器联网，并网、解列方便。采用全功率逆变器输出功率完全可控，如果是永磁发电机则可独立于电网运行。 直驱风力发电机的缺点是： 是由于直驱型风力发电机组没有齿轮箱，低速风轮直接与发电机相连接，各种有害冲击载荷也全部由发电机系统承受，对发电机要求很高。同时，为了提高发电效率，发电机的极数非常大，通常在100极左右，发电机的结构变得非常复杂，体积庞大，需要进行整机吊装维护。发电机尺寸大、重量大，运输、安装比较困难。 三、设计内容 1、永磁同步风力发电机结构原理 永磁同步发电机从结构上分有外转子和内转子之分。磁极在外转子内圆上，内定子嵌有三相绕组。如图1 其转子磁路结构多为切向式转子磁路结构，径向式转子磁路结构、混合式转子磁路结构、轴向式转子磁路结构。
永磁同步风力发电机的原理和应用 我国风能资源丰富，可开发的风能潜力巨大。根据有关资料，我国陆地风能资源可开发量23.8亿千瓦，海上风能资源可开发量约2亿千瓦。我国风能资源比较集中，“三北”地区（华北、东北和西北）以及东南沿海地区、沿海岛屿潜在风能资源开发量约占全国的80%。风能资源与煤炭资源的地理分布具有较高的重合度，与电力负荷则呈逆向分布。 近日，一款拥有自主知识产权，最大功率为2.5MW的高速永磁同步风力发电机在南车株洲电机有限公司成功下线。该发电机具有效率高、体积小、结构紧凑、成本低、可靠性高、维护量小等诸多优点，采用全功率变流控制，使机组具有良好的低电压穿越性能；该发电机与直驱型永磁同步风力发电机相比，体积大大减小、重量大大减轻，特别是磁钢用量大大减少，在稀土价格居高不下的今天，该产品的高性价比优势更加突出，具有很好的市场前景。该发电机的成功研制标志着我国企业已具备自主研发具有国际先进水平高速永磁同步风力发电机的能力。 “十二五”时期，我国风电装机容量占发电总容量比例将进一步加大，出于电网安全考虑，风电机组必须在“低电压穿越”保障下“御风而行”。据中国国家发改委能源研究所有关人士透露，2020年陆地风电的成本将与煤电持平，之后风电将逐步脱离国家补贴，“降低成本”也成为风电行业未来发展面临的新的“瓶颈”。南车株洲电机有限公司成功推出2.5MW高速永磁同步风力发电机，实现了发电机低成本制造，使机组极易实现低电压穿越，在国内处于技术领先水平。 永磁同步风力发电机由于机械损耗小、运行效率高、维护成本低等优点成为继双馈感应风电机组之后的又一重要风力发电机型受到广泛关注，并逐渐
毕业设计（论文） 开题报告 题目：永磁直驱风电系统动态特性仿真研究 学院专业 学号： 学生姓名： 指导教师：（职称：） （职称：） 2016年 3 月15 日 1、课题来源及选题的理由或意义： 课题来源：导师定题 选题理由： 随着全球经济的快速发展，环境和资源问题越来越严重，实现能源的可持续发展与再生利用已成为必须解决的问题。风能作为一种清洁的可再生能源越来越受人类重视。风力发电作为一种风能的主要利用形式正飞速发展，风力发电代替传统能源发电的比例正逐步上升，并在电力越来越受重视。 目前大多数风电系统采用的双馈发电机具有齿轮箱，与其相比，直驱式永磁同步风电机组是风力机与发电机直接相连，减小了齿轮箱带来的机械损耗和设备的不稳定性，从而大大提高了可靠性，降低了维护费用。且具有结构简单，转换效率高，控制灵活等特点，发展较好，在风力发电系统中越来越受到欢迎。大型永磁同步风力发电机组已成为目前兆瓦级大型风电场所采用的主流风电机组。 2、研究内容及拟解决的关键问题： 主要内容： 以直驱式永磁风力发电系统作为研究对象，通过研究风力机和永磁同步发电机各自的特性和运行机理，建立永磁直驱风力发电系统的数学模型，包括风速模型、风力机模型、永磁同步发电机模型和控制系统模型等，对风速变化时机组运行情况进行仿真。通过Matlab/Simulink对风速、风力机、永磁同步发电机等实现模型搭建，最终建成整个风力发电系统模型，进行仿真得出结果。 关键问题： 1. 建立准确的风速模型、风轮模型、风力机模型以及直驱式永磁同步发电系统（PMSG）模型； 2. 设计出永磁直驱风电系统的控制器； 3. 使用Matlab/Simulink仿真来验证设计的正确性和可行性； 3、国内外研究现状： 1. 国内外风电产业发展状况 美国是世界上最早重视风力发电的国家之一。1994年，美国的装机容量是163万千瓦，占当年全球风电装机容量的53%。到2000年，形成了40亿美元的风机产业，每年至少可交付30 万千瓦的风电机组产品。预计到2050年，全美风力发电将占全国电力的10%。欧洲是风力发电发展较快的地区，其中以丹麦和德国为代表。丹麦是世界风力发电的先进国家和风力发电机主要制造国之一。1978年丹麦成立了国立风力发电试验站，促使了风力机工业
-- 哈尔滨工业大学 《交流永磁同步电机理论》课程报告题目:永磁同步风力发电机的设计 院(系) 电气工程及其自动化 学科电气工程 授课教师 学号 研究生
-- 二〇一四年六月 第1章小型永磁发电机的基本结构 小型风力发电机因其功率低,体积小,一般没有减速机构，多为直驱型。发电机型式多种多样，有直流发电机、电励磁交流发电机、永磁电机、开关磁阻电机等。其中永磁电机因其诸多优点而被广泛采用。 1.１小型永磁风力发电机的基本结构 按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，永磁发电机可分为径向式、切向式和轴向式。 (１）径向式永磁发电机径向式转子磁路结构中永磁体磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近,漏磁系数较切向结构小，径向磁化结构中的永磁体工作于串联状态,只有一块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通,因此气隙磁密相对较低。这种结构具有简单、制造方便、漏磁小等优点。 径向磁场永磁发电机可分为两种：永磁体表贴式和永磁体内置式。表贴式转子结构简单、极数增加容易、永磁体都粘在转子表面上，但是,这需要高磁积能的永磁体(如钕铁硼等)来提供足够的气隙磁密。考虑到永磁体的机械强度，此种结构永磁电机高转速运行时还需转子护套。内置式转子机械强度较高,但制造工艺相对复杂,制造费用较高。 径向磁场电机用作直驱风力发电机,大多为传统的内转子设计。风力机和永磁体内转子同轴安装,这种结构的发电机定子绕组和铁心通风散热好，温度低，定子外形尺寸小;也有一些外转子设计。风力机与发电机的永磁体外转子直接耦合,定子电枢安装在静止轴上,这种结构有永磁体安装固定、转子可靠性好和转动惯量大的优点,缺点是对电枢铁心和绕组通风冷却不利，永磁体转子直径大，不易密封防护、安装和运输［1]。表贴式和径向式的结构如图1-1 a)所示。
-- 你好，你的这个问题问的比较广。我大概给你阐述下,对于现在国内国外大型水平轴风力发电机组，有双馈机和永磁直驱发电机。 永磁直驱发电机顾名思义是在传动链中不含有增速齿轮箱。?总所周知，一般发电机要并网必须满足相位、幅频、周期同步。而我国电网频率为５０hｚ这就表示发电机要发出50hz 的交流电。学过电机的都知道。转速、磁极对数、与频率是有关系的n＝6０f/ｐ。?所以当极对数恒定时，发电机的转速是一定的。所以一般双馈风机的发电机额定转速为1800r/mi ｎ。而叶轮转速一般在十几转每分。这就需要在叶轮与发电机之间加入增速箱。 而永磁直驱发电机是增加磁极对数从而使得电机的额定转速下降,这样就不需要增速齿轮箱，故名直驱。而齿轮箱是风力发电机组最容易出故障的部件。所以，永磁直驱的可靠性要高于双馈。?对于永磁直驱发电机的磁极部分是用钕铁硼的永磁磁极，原料为稀土。?风轮吸收风能转化为机械能通过主轴传递给发电机发电，发出的电通过全功率变流器之后过升压变压器上网。?不知道有木有解释清楚。 还有什么不清楚可以继续追问,知无不言。 风力发电机也在逐步的永磁化。采用永磁风力发电机,不仅可以提高发电机的效率,而且能在增大电机容量的同时，减少体积，并且因为发电机采用了永磁结构，省去了电刷和集电环等易耗机械部件,提高了系统的可靠性,这也是风电发电机的发展趋势之一。?风力机的直驱化也是当前的一个热点趋势。目前大多风电系统发电机与风轮并不是直接相连,而是通过变速齿轮相连，这种机械装置不仅降低了系统的效率，增加了系统的成本,而且容易出现故障，是风力发电急需解决的瓶颈问题。直驱式风力发电机可以直接与风轮相连,增加了系统的稳定性，同时增大了电机的体积和设计制造以及控制的难度。直驱型风力发电系统是采用风轮直接驱动多极低速永磁同步发电机发电,通过功率变换电路将电能转换后并入电网，相对于双馈型发电系统，直驱式发电机采用较多的极对数，使得在转速较低时，发电机定子电压输出频率仍然比较高，完全可以在电机的额定等级下工作,并且其定子输出电压通过变流器后再和电网相接,定子频率变化并不会影响电网频率。在直驱风力发电系统中风机与发电机直接耦合，省去了传统风力发电系统中的国内难以自主生产且故障率较高的齿轮箱这一部件，减少了发电机的维护工作，并且降低了噪音。另外其不需要电励磁装置，具有重量轻、效率高、可靠性好的优点。 直驱永磁发电机与双馈异步发电机技术相比，由于不需要转子励磁,没有增速齿轮箱,效率要比双馈发电机高出20%以上，年发电量要比同容量的双馈机型高; 增速齿轮箱故障较高,维护保养成本高,直驱永磁发电机不需要齿轮箱,易于维修 保养;直驱永磁发电机采用全功率的交-直-交变频技术，与电网隔离，具有低电压穿越能力,对电网友好;?直驱永磁发电机的缺点是稀土永磁材料成本高,导致整机成本相对较高，永磁材料在高温、震动和过电流情况下,有可能永久退磁，致使发电机整体报废,这是直驱永磁发电机的重大缺陷。 --
是我们初中学的磁极数，一个发电机是有南北极的（货是正负极），就是指的这个，但是3相的就不是了，你可以通过数住绕组的个数来辨别是多少级数，或者说发电机的转速也可以看出来是多少级数 以50HZ为例，2级的就是3000转，4级就3000/2，1500转这样就好理解了直驱永磁风力发电机组特点 直驱式风力发电机（Direct-driven Wind Turbine Generators），是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。 直驱式（无齿轮）风力发电机始于20多年前，由于电气技术和成本等原因，发展较慢。随着近几年技术的发展，其优势才逐渐凸现。德国、美国、丹麦都是在该技术领域发展较为领先的国家，其中德国西门子公司开发的（直驱式）无齿轮同步发电机安装在世界最大的挪威风力发电场，最高效率达98%。 1997年的风机市场上出现了兼具无齿轮、变速变桨距等特征的风力发电机,这些高产能、运行维护成本低的先进机型有E-33、E-48、E-70等型号，容量从330千瓦至2兆瓦，由德国ENERCONGmbH公司制造，它们的研制始于1992年。2000年，瑞典ABB公司成功研制了3兆瓦的巨型可变速风力发电机组，其中包括永磁式转子结构的高压风力发电机Wind former，容量3兆瓦、高约70米、风扇直径约90米。2003年，在Okinawa电力公司开始运行的MWT-S2000型风力发电机，是日本三菱重工首度完全自行制造的2兆瓦级风机，采用小尺寸的变速无齿轮永磁同步电机，新型轻质叶片。 目前，国内多家企业也开始进军直驱式风力发电机领域，湘潭电机集团与日本原弘产株式会社合资组建的湖南湘电风能有限公司，2兆瓦直驱式永磁风力发电整机机组已试车成功；广西银河艾万迪斯风力发电有限公司与德国AVAVTIS公司联合推出的2.5兆瓦直驱变桨风力发电也将于2008年二季度完成样机；具有自主知识产权的新疆金凤科技股份公司、哈尔滨九州电气公司也分别研制出1.5兆瓦直驱式风力发电机。 编辑本段直驱永磁风力发电机组特点 直驱永磁风力发电机有以下几个方面优点[1]： 1.发电效率高：直驱式风力发电机组没有齿轮箱，减少了传动损耗，提高了发电效率，尤其是在低风速环境下，效果更加显著。
张 梅等：直驱式永磁同步风力发电机组的建模与仿真第６期新能源 直驱式永磁同步风力发电机组的建模与仿真 张 梅１，何国庆２，赵海翔２，张靠社１ （１．西安理工大学电力工程系，陕西西安 ７１００４８；２．中国电力科学研究院，北京 １００１９２） 摘要：阐述基于直驱式永磁同步风力发电机组（Ｄ－ＰＭＳＧ）的工作原理，在电力系统分析软件ＤＩｇＳＩＬＥＮＴ／ ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒｙ中建立了Ｄ－ＰＭＳＧ及其控制系统的仿真模型，结合某实际地区电网进行仿真分析。仿真结果 验证了所建模型的正确性和控制策略的可行性。关键词：风力发电；永磁同步发电机；解耦控制中图分类号：ＴＭ３１５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－９６４９（２００８）０６－００７９－０６ 中国电力ＥＬＥＣＴＲＩＣＰＯＷＥＲ 第４１卷第６期２００８ 年６月Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．６ Ｊｕｎ．２００８收稿日期：２００８－０３－０５作者简介：张 梅（１９８１－），女，陕西西安人，硕士研究生，从事电力系统分析和风力发电研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｍｅｉ＠ｅｐｒｉ．ａｃ．ｃｎ ０引言 风力发电是一种很有潜力的可再生能源，１０多 年来得到了快速的发展。目前主流变速风力发电机组有２种：双馈感应风力发电机组和直驱永磁同步风电机组。国内外对基于双馈感应发电机（ｄｏｕｂｌｙ ｆｅｄｉｎｄｕｃｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ，ＤＦＩＧ）的变速风力发电技术 的研究很多，已经发展得很成熟。关于直驱永磁同步风力发电机组（Ｄ－ＰＭＳＧ）的研究则相对较少，但其以效率高、噪声小、发电机结构简单和维护工作量小等特点，在风力发电领域受到了越来越多的 重视。 目前，对于Ｄ－ＰＭＳＧ的建模与仿真是研究的热点。一些文献研究了Ｄ－ＰＭＳＧ的建模问题，但比较简单，如文献［１－２］中给出了变频器系统的控制框图，但没有详细论述其解耦控制的原理。文献［３］建立了包括风力机模型、传动系统模型和发电机模型的Ｄ－ＰＭＳＧ数学模型， 并提出了桨距角及发电机 转速的控制策略，但忽略了网侧变频器的影响。文献［４－７］采用不同的控制策略，对经由不可控整流和可控逆变电路构成的变频器并网的Ｄ－ＰＭＳＧ系统进行了研究， 实现了最大风能跟踪控制及并网 有功和无功功率的解耦控制。文献［８］研究了Ｄ－ ＰＭＳＧ的桨叶控制及相应的功率和转速的变化过 程。文献［９］建立了基于ＭＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ软件的 Ｄ－ＰＭＳＧ仿真模型，对机组的输出特性进行了分 析。文献［１０］研究了一种用于Ｄ－ＰＭＳＧ并网的中性点箝位变频器系统， 并提出了变频器相应的控 制策略。文献［１１］着重分析了双脉宽调制（ＰＷＭ）Ｄ－ＰＭＳＧ发电机侧变频器的控制问题，提出了增加 约束方程来确定发电机端电压的稳定控制方案。这些文献基本集中于风电机组或机组所采用变频器的研究， 没有在实际电网中对模型的特性进行 仿真，不能突出Ｄ－ＰＭＳＧ的并网运行特性。 本文介绍了Ｄ－ＰＭＳＧ的工作原理，建立了ＰＭＳＧ、变频器模型及轴系的两质块数学模型，提出了全功率变频器的解耦控制策略，实现了有功和无功的解耦控制； 在电力系统仿真软件ＤＩｇＳＩＬＥＮＴ／Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒｙ中建立了Ｄ－ＰＭＳＧ的仿真模型，并结合某 实际地区电网，通过对有功功率突变、调整功率因数设定值以及电网三相短路故障时风电机组的动态响应分析，验证了该模型的正确性和控制策略的可行性。仿真结果较全面地反映了Ｄ－ＰＭＳＧ的并网运行特性。 １Ｄ－ＰＭＳＧ工作原理 Ｄ－ＰＭＳＧ主要包括风力机、ＰＭＳＧ、 全功率变频器以及控制系统４部分，其基本结构如图１所示。其中全功率变频器系统又可分为： 发电机侧变频器 （ｇｅｎｅｒａｔｏｒ－ｓｉｄｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）、 直流环节（ＤＣ－ｌｉｎｋ）和电网侧变频器（ｇｒｉｄ－ｓｉｄｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）。 风力机和ＰＭＳＧ通过轴系直接耦合，提高了系统的可靠性，大大减少了系统的运行噪声，降低了发电机的维护工作量。 ＰＭＳＧ经全功率变频器系统与电网相连，通过施加 在变频器系统上的控制系统作用，来实现风电机 组的变速运行。ＰＭＳＧ的输出经发电机侧变频器整 流后由电容支撑，再经网侧变频器将能量馈送给 电网。
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。
1、国内外大型永磁发电机的应用 永磁同步发电机是用永磁体来代替普通同步发电机的励磁系统，为发电机提供励磁的一种发电机。由于永磁发电机字很无法调节励磁，发电机端口电压将随着转速而变化，因而早期永磁发电机往往与小功率的变流装置配套应用于小型风力发电机上，但随着永磁技术与大功率变流技术的提高，风电新技术方案的出现，永磁发电机逐渐在大型风力发电上的到了广泛的应用，并将成为未来风力发电机的一种趋势。 2000年瑞典ABB公司研制成功了3MW-5MW的巨型可变速风力发电机组，其中发电机采用了低速多极的永磁式转子结构的高压风力发电机Windformer，由于Windformer为风轮直接驱动永磁转子，结构简单，可直接并网使用，具有容量大，效率高，运行可靠及环保效果好等特点。 2005年德国Multibrid安装了第一台5MW风机，M5000风机由德国工程咨询公司aerodyn设计，采用了单级齿轮箱和水冷式中速永磁同步发电机相结合的混合传动技术，相比传统三级齿轮箱的双馈技术方案，大大简化了传动系统结构，提高了电能品质，而相比直驱技术中采用的低速电机，中速电机的尺寸和重量大为减少，从而为生产、运输和吊装带来了一系列的优势。 国内目前能够批量化生产永磁风力发电机仅有金风科技和湘电风能公司两家风电整机厂商。
2、不同类型风力发电机的技术对比 目前风电市场中，以三级齿轮箱加双馈异步发电机为技术发难的变速恒频风力发电机应用最为广泛。但随着大功率器件的发展，大功率变流器的成本及技术瓶颈已逐渐打破，低速同步发电机配全功率整流器的直驱式结构成为了风力发电的另一个重要发展方向。永磁电机具有结构简单、效率高、免维护等优点，尤其是船舶、风机等这种对电机稳定性要求高且维修不易的环境中具有应用优势，因而低速永磁电机往往是直驱式结构风机用发电机的首选方案。 随着风力发电机不断大功率化，双馈式风力发电机组除论像的机械故障率较高，稳定性及电能品质较差，同时直驱式风力发电机组中的低速同步发电机尺寸偏大也增加了设计及运输难度，因而将上述两
实验一永磁同步风力发电系统接线实验 一、实验目的 1.掌握永磁同步风力发电系统的基本结构及组成； 2.掌握永磁同步风力发电实验系统各部分间的接线。 二、实验原理 1.永磁同步风力发电系统的结构及组成 永磁步风力发电系统主要由模拟风力发电机、双向变流器、电网以及电量监视仪表等部分组成。系统组成及控制原理框图如图1-1所示。 机侧变流器网侧变流器 图1-1永磁同步风力发电系统原理框图 2.模拟风力发电机 模拟风力发电机即永磁直驱风力发电机组，包括风力机及永磁同步发电机、和增量编码器等组成，其中风力机由三相异步变频调速电动机组成，其由单独地变频控制转动，来模拟风力机转动，如图1-2所示。另外，图1-3中的永磁直驱风力发电模拟系统控制柜里面包含三相变频器，是控制三相异步变频调速电机转动，模拟风机带动永磁同步电机转动发电，风力机的定子接线端接到该控制柜。图1-4中的直驱永磁风力发电机组变频柜里面包含机侧变流器和网侧变流器，是对永磁同步发电机发出的电进行PWM整流和逆变，增量编码器的A、A_、B、B_、Z、Z_信号输出端，以及永磁同步电机的定子输出端都要接到该控制柜。直驱永磁风力发电机组变频柜的输出端接到电网上，如图1-2所示。
增增增增增 增增增增增增增增增增增增增增 增增增 增增增增增增增增增增增增增增增 图1-2 永磁直驱发电机组结构图 图1-3 永磁直驱风力发电模拟系统控制柜
机侧控制 板 网侧 控制 板增量式 输入接 口 图1-4 永磁直驱风力发电机组变频柜 图1-5 电网接入端口 三、 实验内容及步骤 1. 实验准备 实验前请仔细阅读系统的安全操作说明及系统相关的使用说明书，识别并准备完成实验开始前所需的器件。 2. 实验步骤 1） 将机组中三相异步变频调速电动机的定子输入三相线接到永磁直驱风力发电模拟系统控制柜的U ，V ，W 端子上，注意变频器输出相序和风力机的定子输出相序一致。 2） 将机组中增量式编码器输出端口的A 、A _、B 、B _、Z 、Z _ 信号输出端口接到永磁直驱
6 直驱永磁风力发电技术 一、技术名称：直驱永磁风力发电技术 二、技术类别：零碳技术 三、所属领域及适用范围：电力行业风电领域 四、该技术应用现状及产业化情况 目前，我国变速恒频风力发电机组主要包括双馈感应风力发电机组和直驱永磁同步风力发电机组。至2013年底，直驱永磁风力发电技术已在全国30%以上的风电机组上应用，并在1.5MW、2.0MW、2.5MW、3.0MW机组上均实现了产业化。未来该技术在海上风电大兆瓦级发电机组上也具有很大的应用潜力。 五、技术内容 1.技术原理 该技术实现直驱、永磁和全功率变流技术的系统集成，三者相辅相成，以电流的快速变化适应风速变化，可有效减轻机组的机械磨损，适应风速脉动变化和电网需求。由于采用直驱永磁技术，无齿轮增速箱设计，因此单位发电能耗较双馈风力发电机组低。 2.关键技术 （1）载荷控制技术； （2）大型永磁电机设计技术； （3）变桨系统控制技术； （4）信号专用采集技术。 3.工艺流程 直驱永磁风力发电机组结构简图如图1所示。
图1直驱永磁风力发电技术风力发电机组工艺简图 六、主要技术指标 1.年均机组运行利用率达99%以上； 2.机组平均传动效率相对齿轮箱传动链机组高2%以上； 3.可以实现零电压穿越，功率因数达-0.9～0.9。 七、技术鉴定情况 2.5MW直驱永磁风力发电机组获得2011年度国家能源科技进步奖一等奖；2012年获得德国TüV Nord设计认证；2013获得了北京鉴衡认证中心的设计认证。2012年，该项技术还分别获得进入北美、澳洲及欧盟市场所必需的安全认证、CE认证等专项认证，以及职业健康与防火要求评估。 八、典型用户及投资效益 典型用户：中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司、中国国电集团公司、中国电力投资集团公司、中广核电力集团公司、华润电力集团公司、国华电力集团公司和国投电力集团公司等。 典型案例1 案例名称：金风达坂城试验风电场项目 建设规模：总装机容量为4.95万kW风电场项目。建设条件:风功能密度达到七级标准，风能资源较好，有效风速小时较高；区域电网配套规划建设完善。主要建设内容：安装6台3.0MW和13台2.5MW直驱永磁风力发电机组。主要设备为2.5MW直驱永磁风力发电机组和3.0MW直驱永磁风力发电机组。项目总投资 4.2亿元，建设期为1年。年减排10万tCO 2，年经济效益6300万元，投资回收
双馈风电机组与永磁直驱机组对比 摘要：清洁能源在电力系统中的大规模利用，使得风电机组在电网中的占比日 益扩大，其运行特性极大地影响电力系统的运行稳定性.本文分析了双馈变速与直 驱同步风电机组的结构特点。 关键词：电力系统；风力机组；永磁直驱机 风力发电机组主要包括变频器、控制器、齿轮箱，发电机、主轴承、叶片等 部件，在这些部件中发电机目前国产化程度最高，它的价格约占机组的10%左右。发电机主要包括两种机型：永磁同步发电机和异步发电机。永磁同步发电机低速 运行时，不需要庞大的齿轮箱，但机组体积和重量都很大，1.5MW的用词直驱发 电机机舱会达到5米，整个重量达80吨。同时，永磁直驱发电机的单价较贵， 技术复杂，制造困难，但是这种机型的优点是少了个齿轮箱，也就少了个故障点。异步发电机是由风机拖动齿轮箱，在带动异步发电机运行，因为叶片速度很低， 齿轮箱可以变速100倍，以让风机在额定转速下运行，目前流行的是双馈异步发 电机，主要有1.25MW\1.5MW\2MW三种机型，异步发电机组的机组单价低，技 术成熟，国产化高。 一、双馈风力发电系统 双馈风力发电机组的控制核心是通过变流器对双馈发电机转子电流（频率、 幅值、相位）的控制，以达到与风电机组机械部分运行特性匹配、提高风能的利 用效率及改善供电质量的目的。 1、双馈变速恒频型风力发电机组的风轮叶片桨距角可以调节，同时发电机可 以变速，并输出恒频恒压电能； 2、在低于额定风速时，他通过改变转速和叶片桨距角使风力发电机组在最佳 叶尖速比下运行，输出最大的功率； 3、在高风速时通过改变叶片桨距角使风力发电机组功率输出稳定在额定功率。 双馈风力发电系统主要由叶片、增速齿轮箱、双馈发电机、双向变流器和控 制器组成。双馈式风力发电机组将风轮吸收的机械能通过增速机构传递到发电机，发电机将机械能转化为电能，通过发电机定子、转子传送给电网。发电机定子绕 组直接和电网连接，转子绕组和变频器相连。变频器控制电机在亚同步和超同步 转速下都保持发电状态。在超同步发电时，通过定转子两个通道同时向电网馈送 能量，双馈式风力发电机在亚同步和超同步转速下都可发电。故称双馈技术主要特点 发电机采用绕线式异步电机，定子直接与电网相连，转子侧通过变流器与电 网相连。当双馈发电机的负载和转速变化时，通过调节馈入转子绕组的电流，不 仅能保持定子输出的电压和频率不变，而且还能调节双馈发电机的功率因数。 1发电机转子侧变流器功率仅需要25%～30%的风机额定功率，大大降低了变 流器的造价； 2发电机体积小、运输安装方便、成本低； 3可承受电压波动范围：额定电压±10%； 4网侧及直流侧滤波电感、电容功率相应缩小，电磁干扰也大大降低； 5可方便地实现无功功率控制。 主要缺点
你好，你的这个问题问的比较广。我大概给你阐述下，对于现在国内国外大型水平轴风力发电机组，有双馈机和永磁直驱发电机。 永磁直驱发电机顾名思义是在传动链中不含有增速齿轮箱。 总所周知，一般发电机要并网必须满足相位、幅频、周期同步。而我国电网频率为50hz这就表示发电机要发出50hz的交流电。学过电机的都知道。转速、磁极对数、与频率是有关系的n=60f/p。 所以当极对数恒定时，发电机的转速是一定的。所以一般双馈风机的发电机额定转速为1800r/min。而叶轮转速一般在十几转每分。这就需要在叶轮与发电机之间加入增速箱。 而永磁直驱发电机是增加磁极对数从而使得电机的额定转速下降，这样就不需要增速齿轮箱，故名直驱。而齿轮箱是风力发电机组最容易出故障的部件。所以，永磁直驱的可靠性要高于双馈。 对于永磁直驱发电机的磁极部分是用钕铁硼的永磁磁极，原料为稀土。 风轮吸收风能转化为机械能通过主轴传递给发电机发电，发出的电通过全功率变流器之后过升压变压器上网。 不知道有木有解释清楚。 还有什么不清楚可以继续追问，知无不言。 风力发电机也在逐步的永磁化。采用永磁风力发电机，不仅可以提高发电机的效率，而且能在增大电机容量的同时，减少体积，并且因为发电机采用了永磁结构，省去了电刷和集电环等易耗机械部件，提高了系统的可靠性，这也是风电发电机的发展趋势之一。 风力机的直驱化也是当前的一个热点趋势。目前大多风电系统发电机与风轮并不是直接相连，而是通过变速齿轮相连，这种机械装置不仅降低了系统的效率，增加了系统的成本，而且容易出现故障，是风力发电急需解决的瓶颈问题。直驱式风力发电机可以直接与风轮相连，增加了系统的稳定性，同时增大了电机的体积和设计制造以及控制的难度。直驱型风力发电系统是采用风轮直接驱动多极低速永磁同步发电机发电，通过功率变换电路将电能转换后并入电网，相对于双馈型发电系统，直驱式发电机采用较多的极对数，使得在转速较低时，发电机定子电压输出频率仍然比较高，完全可以在电机的额定等级下工作，并且其定子输出电压通过变流器后再和电网相接，定子频率变化并不会影响电网频率。在直驱风力发电系统中风机与发电机直接耦合，省去了传统风力发电系统中的国内难以自主生产且故障率较高的齿轮箱这一部件，减少了发电机的维护工作，并且降低了噪音。另外其不需要电励磁装置，具有重量轻、效率高、可靠性好的优点。 直驱永磁发电机与双馈异步发电机技术相比，由于不需要转子励磁，没有增速齿轮箱，效率要比双馈发电机高出20%以上，年发电量要比同容量的双馈机型高；增速齿轮箱故障较高，维护保养成本高，直驱永磁发电机不需要齿轮箱，易于维修保养；直驱永磁发电机采用全功率的交-直-交变频技术，与电网隔离，具有低电压穿越能力，对电网友好；
1.3风力发电变流器技术 电力电子变流器(系统)是风力发电机组与电网的核心中间环节,堪称风力发电系统的重中之重。在风机控制器的统筹管理下,变流器要实现发电机组的最大风能捕获(MPPT );同时还必须使机组具备低电压穿越等故障保护功能,向电网输送高品质电能。并且受限于风电机组的空间尺寸与成本,变流器必须做到较高的功率密度与可靠性。这对变流器系统的电磁性能、结构及安全易用性等设计研究均提出了较高要求。 1.3.1变流器拓扑与控制 以永磁直驱式风力发电系统为例,整个风机系统的控制框图如图1.4所示。其中,变流器的控制主要包括PMSG的(电机侧)PWM整流控制技术与电网侧PWM逆变器控制技术。电机侧PWM变流器通过对发电机定子励磁与转矩电流的解耦控制,实现电机转速调节,使其具备最大风能捕获功能,已有如最大转矩/电流比控制、效率最优控制、定子磁通矢量控制、直接转矩控制等;电网侧PWM变流器均通过调节网侧的交直轴电流,保持直流侧电压稳定,实现有功和无功的解辅控制,保持机组运行在变速恒频发电状态;同时,配合输出滤波器来保证电能质量,并对电网故障进行实时检测,以实现LVRT功能气 图1.4风机系统的控制框图 对于直驱式风电变流器系统,变流器拓扑常见的有如下几种[3 ]。 图1.5 二极管不控整流+逆变
如果将可控器件GTO或者IGBT应用至机侧和网侧变流器,如图1.8。利用PWM(脉宽调制)技术不但使电流波形得到很好的控制,而且PWM变流器可以四象限运行。采用PWM调制的发电机侧变流器自然为BOOST电路,发电机可以在很宽的风速范围内运行,使系统的风能捕获效率得到显著改善。特别是双PWM结构的变流器中,能量可以双向流动,使发电机控制的灵活性得到极大提高,通过釆用更多的先进控制策略,极大的提高了系统整体性能。随着可控半导体功率器件技术的不断发展,双PWM背靠背变流器结构得到越来越广泛的应用。 1.3.2变流器结构设计 正如前文所述,由于风电机组可能面临的各种恶劣环境条件(如风沙、严寒、沿海及海上等),同时受限于变流器有限的安装维护空间,对于风力发电应用场合变流器的功率密度、防护等级、维修性与可靠性要求较为严苛,这就对变流器的结构设计与生产提出了更高要求。 尤其对于兆瓦级低压(直流侧电压不大于1100V)大容量风电变流器,由于电压等级并不算太高,变流器通过的额定电流较大.一些在小容量应用场合中无需关注甚至根本不会存在的问题却会成为这类变流器设计的难点及关键,如开关器件的限制,各种连接线、接头及其线路杂散参数的影响,散热系统设计,系统的高