王西

摘要：随着风电行业的发展，传统风力发电机技术在风电市场上主要分为高速双馈发电机和低速永磁直驱风力发电机两大主流机组，而两款主流机组的缺点是双馈机组高转速，需要从电网吸收少量能量，优点体积小，成本低;低速永磁风力发电机优点切入风速低，转速低并网友好，全功率变频。缺点随着功率的增大，发电机体积会越来越大。结合了双馈发电机体和永磁发电机的优点，实现了中速永磁传动技术，从而实现低风速小体积大功率的发电机更能适应风电发展。

关键词： 中速永磁   集成   …低风速    沿海

1、双馈异步发电机（DFIG）和永磁同步发电机（PMSG）结构与优缺点：

双馈异步发电机（DFIG）：属笼型异步发电机，使用双馈绕线的方式，是一种绕线型感应发电机，由定子绕组直连接定频三相电网的绕线型异步发电机，安装在转子绕组上，通过增速齿轮箱传递高转速，通过控制转子电流的频率，使发电机转子转速发生变化，从而实现电流频率的恒定。

首先，它能控制无功功率，并通过独立控制转子励磁电流解耦有功功率和无功功率控制。其次，双馈感应发电机无需从电网励磁，而从转子电路中励磁。最后，它还能产生无功功率，并可以通过电网侧变流器传送给定子。DFIG相比PMSG变流器容量小，易于安装和维护，成本低，构造简单，重量和体积相比同步电机大大减小，但低电压穿越功能不强，需要在变流器中额外增加模块，发电机转速高，失效比例高。

永磁同步发电机（PMSG）：是以永磁发电机和全功率变流器为核心的风力发电机，通过全功率变频器和变压器与高压电网相连，变频器将发电机输出的不停变化的交流电压，首先变化为直流，再逆变成电压频率和幅值及相位与电网一致的交流电源电压。PMSG具备最大风能跟踪、定子侧功率因数和网侧功率因数调节功能以及有功、无功的解耦控制功能，由于并网电路将PMSG于电网分开，具有隔离故障能力，不会因电网故障损坏PMSG，也不会对电网产生负面影响，具备低电压穿越功能的全功率变流器，。但其体积随单机功率增加而增加，后期运输不便，使用的永磁体数量多，成本高。

2、中速永磁风力发电机的构造及优势

中速永磁风力发电机与齿轮箱一体化设计，大大缩短发电机与齿轮箱尺寸，使得整体传动结构紧凑，占用空间缩小，传动连接更为合理。并兼顾双馈机组的成本优势和低速永磁直驱的发电性能，尤其适合低风速区域运行和海上风资源，运用全功率变流器和中速永磁发电机，两级齿轮箱，可以同体积发电机可以做到10MW以上风电机组。

2.1中速永磁发电机：无需电机滑环，可靠性高，采用特制齿廓曲线结构，降低磁钢热退磁风险和机械损坏风险，提高磁钢利用率和电能质量。体积仅为直驱永磁发电机是1/10.发电机转子集成力矩限制器，降低极限扭矩至短路扭矩的50%，预防较大的转矩对齿轮箱的冲击，从而降低传动系统总成本。

中速永磁发电机的构造主要由永磁体、转子支架、力矩限制器、线圈、调心轴承、机座构成、。永磁发电机工作原理转子带动磁场旋转，定子铁芯切割磁场产生电流，由线圈导出。

2.2中速齿轮箱：

中速永磁发电机机组采用中速齿轮箱的设计，两级行星结构，无可靠性最差的第三级（高速级），大大降低了齿轮箱的故障率。传递效率比高速齿轮箱更高，重量更轻，同时减轻了永磁发电机的体积和重量，再加上其他部件的优化升级，节约了制造成本。中速永磁技术的设计特点，能够使同容量机组的扫风面积做到更大。

齿轮箱作为风力发电机重要组成部分，主要是将叶轮转速加速后传递给发电机，使发电机增加转速进行发电。齿轮箱主要由行星架、扭力臂、IMS行星轮、LSS行星轮、轴承等组成。采用两级行星结构，大大降低了齿轮箱的故障率，传动效率更高，重量更轻。

3、中速永磁发电机集成技术特点

3.1易于安装：发电机和齿轮箱通过IMS太阳轮连接，允许较大同轴度误差，结合发电机与齿轮箱连接法兰定位销和螺栓连接，大大简化安装过程。安装空间小，结构紧凑，，易于后期装卸、调试、维护。

3.2高效率的传动比例，输入转速12.6～13.5rpm，传动比38.1～38.2，传动效率≥97%，

3.3可靠性：发电机额定转速480rpm，运行过程不产生谐波，不受电网电压波动影响，可靠性高。

3.4振动：由齿轮箱增速后传递给永磁发电机，低转速运行，振动小，噪音低，使机组平稳运行，延长机组运行寿命。

3.5扭矩过载保护：发电机转子安装集成力矩限制器，完全消除了因过载导致的损坏，。当机组在运行过程中，葉轮输入负载突然过大时，发电机力矩限制器可产生打滑结束转矩的传递，此时发电机继续转动，而负载停止转动，从而避免造成传动系统的损坏，大幅延长发电机和传动系统的使用寿命。

3.6使用各种严酷的工作环境：允许在-30℃-+45℃，95%的相对湿度下工作。

4、我国风能分布等级及主要区域

4.1 结合《风电场风能资源评估方法》中风能密度等级表，根据测算出的有限风能密度大小，全国风能可分为四个等级取，分布如下：

（1）风能资源丰富区是有效风能密度在200W/㎡以上的地区。主要分布在内蒙古中西部等地区，半岛、江浙和海南岛西岸等区域的沿海地带，福建崇武的最高值可达到392.7W/㎡。

（2）风能资源较丰区为有效风能密度在（100-200.w/㎡之间的区域，主要分布在内蒙古高原大部、甘肃河西走廊和定西地区、新疆北部、青海西北部、云南以及沿海丰富带向内陆以内的地区。

（3）风能资源中等丰富区为有效风能密度处于（50-100）W/㎡之间的区域，主要分布在新疆中部、西藏中北部、小兴安岭、山东、河南和沿海风能较丰区向内陆以内的中间的宽阔地带。

（4）风能资源贫乏区是有效风能密度低于50W/m2，主要分布在四川、重庆、贵州、湖南、湖北、江西、陕西和云南、广西、广东、安徽、河南的部分地区，以及青海东部、新疆西部、西藏东南部等地;其中青藏高原东南部、横断山脉、四川盆地、云南西部、贵州北部、重庆南部以及湖南西部等地的风能资源最为贫瘠，均小于40W/㎡。在重庆西阳和云南景洪，10年平均有效风能密度接近于0为全国最低值。

4.2  沿海地区风能资源

我国海岸线资源丰富，特别是东南沿海地区，包括鲁、浙、苏、粤、沪等省（市）这些沿海近10千米宽的地带都蕴藏了大量的可开发的风能资源，约为180000Km?。江苏的东部沿海一线属于温带亚热带湿润性气候，冬季多偏北风，夏季盛行东南风，风速较大且稳定，风能资源品质高且蕴量大。而且，江苏拥有大量理想的风电场址，如沿海大部分海岸、浅海辐射沙洲和滩涂，有利于风能资源的开发。另外，江苏近海具有更为可观的风电可开发规模，为地势平坦的滩涂，风能品质较高，技术可开发量约为18000MW，可开发面积约3600k㎡。在江苏东台海域附近与陆上比较，风功率密度要大25%-30%。

5、中速永磁发电机的市场前景

中速永磁发电机的兼顾双馈发电机的体积、成本优势和直驱发电机的发电性能优势，在高风频区域，中速永磁发电机传动系数效率更优秀。中速永磁发电机的市场前景非常廣泛，既能适用于低风速地区，如风能资源贫乏区是有效风能密度低于50W/m2，主要分布在湖南、湖北、江西、安徽、江苏的部分地区，又能适用于沿海一带风场，如东南沿海地区风能丰富带包括鲁、浙、苏、粤、沪等省（市），这些沿海近10千米宽的地带都蕴藏了大量的可开发的风能资源。

结束语

风电行业两大主流机型双馈发电机和直驱永磁发电机已经有着成熟的技术和市场，但两者的缺点也随之体现出来，而清洁能源的风力发电机技术不会因此停歇，中速永磁发电机后期一定会成为第三大主流机型，成为风电事业添加一直更有力的竞争对手，也是为客户能够继续增加效益的机型。中速永磁发电机的大规模生产，指日可待。

参考文献：《自动化博览》2010.27（9）28-30 王建维

宋婧. 我国风力资源分布及风电规划研究[D]. 华北电力大学（北京） 华北电力大学， 2013.