现代永磁电机在风力发电系统中的应用

张继鹏刘慧博

（1.包头市永磁电机研究所，包头014030；2.内蒙古科技大学信息工程学院，包头014010）



现代永磁电机在风力发电系统中的应用

张继鹏1刘慧博2

（1.包头市永磁电机研究所，包头014030；2.内蒙古科技大学信息工程学院，包头014010）

摘要：随着全球经济的不断发展和人类文明的不断进步，人们对各种资源的需求和利用都在提升。电力作为现代不可或缺的能源动力，直接关系人们生产生活的质量和水平。针对传统的三大产电资源——煤炭、石油、天然气开采过度的现状，结合近年来人们对自身生活环境要求的不断提高，本文将重点探讨新型环保能源风力发电的开发利用，并通过分析风力发电的条件，阐述永磁电机在风力发电中的应用。

关键词：永磁电机矢量控制风力发电

电力是现代生产生活中不可或缺的重要动力资源，而传统的发电模式对自然资源的消耗巨大。随着全球经济的不断发展和人类文明程度的不断提高，越来越多的人开始重视自身生活的环境质量，而传统发电模式在“造电”过程中会产生大量的灰尘和有害化学物质，导致资源与环境需求之间的矛盾愈演愈烈，从而迫使人类转向寻求新型的发电方式。

风力发电是现代国家大力提倡的可再生清洁发电方式。它在应对全球环境污染和电力需求方面展现出巨大的优势。全球的风力资源开发潜力约有3.02×109MW，这对解决现代发电问题提供了很好的转化方式。我国西北地区的风能资源巨大，且国家在风能发电技术方向投入很大，促使我国的风力发电产业具有广阔的前景。

1 永磁电机简介

永磁电机区别于传统的电力磁电机。它的结构更加简单，占有的体积更小。同时，它在工作运行中的稳定性更高，单位时间内能够生产的电能更多，因而在现代风力发电行业中获得了大力发展。

永磁电机的工作原理：借助转向器和电刷的定向变化对磁场进行切割，实现装置内磁场的规律变化，进而产生定向电流。

永磁电动机在功能运转上也具有非常明显的优势：第一，对于不同速度的外界动能刺激，可以进行较宽范围的调速，实现发电性能的平稳运转；第二，在遭遇强动力（即风速）刺激时，能够承受频繁的超荷负载。

2 永磁电机在风力发电中的应用

2.1 风力发电装置的构成及种类

风力发电的实质是利用装置将动能（风能）转化成电能。风力发电装置的主要构成有叶片、轮毂、发电机转子、定子、底盘、监测装置、整流罩和机舱罩等几部分。当外界风力达到一定程度时，气流冲击扇叶推动风轮叶片转动，此时的风能转化为机械的动能，通过轮毂的状态变化将转矩输送给传动系统内部，这时安装在底盘内的磁场被动力推动开始切割磁场内的磁感线，根据主控系统的调节，进而产生较为稳定的电流。

在不同地势环境及其他外界因素的影响下，风力发电机被分为许多种类。按发电规模的大小，一般可分为三种：小于10kW发电量的小型发电机组、最大发电功率在100kW以下的中型发电机组以及大于100kW发电功率的大型发电机组。根据不同地势对发电装置的设计影响，则可将风能发电机分为水平轴和垂直轴两种类型。永磁发电则是在直驱电机发电的技术基础上发展起来的一项新型电机技术。

2.2 永磁电机在发电系统中的具体应用

风力发电的最根本要素是风速推动下转子的速度控制。从现有的风力发电装置来看，发电系统装置分为低速直接驱动、中速半直接驱动、高速永磁驱动和双馈电机驱动四个类型。

（1）低速直驱永磁电机风力发电的特征和应用。低速直驱永磁发电机可以在较小的风能推动下产生动能转化，实现风能向电能的转化，同时所产生的电流也更加为稳定。然而，在建造过程中，低速直驱永磁电机由于自身体积庞大，对地势的要求较高。相对来说，线圈的匝数比比其他类型的电机要多。此外，运行过程中更容易出现发热现象，因此对安装环境的通风要求也较高。

（2）中速半直驱永磁电机风力发电系统。相比于低速直驱永磁电机的结构特点，中速半直驱永磁电机在风力发电系统中的设计相对灵活。通常状况下，它在发电系统中会采取逐级加速的方式带动电机工作，从而使发电系统得以稳定运行。

（3）高速永磁电机风力发电系统。高速永磁电机风力发电是当下“风口”地区最为常用的风力发电装置。此种发电系统具有较为明显的优势：电机整体的质量和占用面积尽可能减少，转子对风能的额外消耗减少，提高了电机的工作效率，同时增加了产电效率。此外，它将传统的电刷设计改为电环，降低了外界干扰所造成的电流不稳等不利情况。

（4）高速双馈电机风力发电系统。在实际应用环节，高速双馈电机的使用频率并不大。这种类型的电机发电过程对转速的要求较高。只有在风力较为稳定的时候，才能保证电机的运转速度的稳定性。

3 不同类型风力发电系统的性能比较

（1）成本对比。风力发电系统作为当下较为先进的发电技术，在成本投入上受到多种因素的影响。不同结构的永磁电机对环境的适应程度和运行方式不尽相同，因此当下还不能细致地对各种永磁电机成本进行比较。但是，可以从以下几个方面进行简要分析。电机是发电过程中将动能转化为电能的最核心装置，其成本投入与电能产出有着密切联系。低速直驱永磁电机的稳定性最高，产出电流稳定，但功率相对较小；中速半直驱永磁电机成本投入较低，但稳定性较前者差，性价比相对较为靠后；高速与高速双馈永磁电机功率产出大，但对建造地区风力的要求较高。我国西北地区由于风能资源较为丰富，因此多选用高速永磁电机作为风力发电的主要选择。

（2）运行可靠性对比。运行的可靠性与机器自身的构造有着很大关系。运行过程中，对环境要求低的电机相对比较稳定。随着电机结构复杂程度的升高，电机的运行同时受到多个方面的影响，往往将会出现运行稳定性下降的现象。因此，几种永磁电机的运行可靠性顺序由高到低依次为低速、中速、高速，而运行可靠性最低的是高速双频电机。

4 永磁电力风力发电系统的发展趋势

风力发电的难点和重点技术是实现风能效率的转化。现有的风能发电系统对风力的稳定性要求较高。因此，未来的发展趋势主要是实现发电系统自身稳定性的反馈调节，在不同的风力条件下实现对动能最大效率的转化，从而不断促进新能源发电行业向前发展。

5 结语

全球化进程下，各国对自然资源的需求量都在逐渐增加。然而，传统的自然资源拥有量十分有限。因而，在未来发展过程中，只有不断寻求新的能源替代方式，才能够在经济世界的快速发展中保持自己的位置，发展自己的能力。未来的竞争既是经济和技术的竞争，同时也是能源的竞争。永磁电机在发电技术中的应用是现代电力行业中较为先进，但由于其本身电刷和滑环的限制以及稀有金属成本昂贵的原因，使该方式在风力发电环节显现出一定的弊端。因此，在未来的发展探索过程中，可积极利用现有成果，吸取外界的先进技术和自身经验，不断促使对风能的利用达到一个新的水平，从而真正改变传统火力发电的弊端。

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Application of Modern Permanent Magnet Motor in Wind Power Generation System

ZHANG Jipeng1,LIU Huibo2
（1.Baotou Permanent Magnet Machine Research Institute, Baotou 014030;2.College of information engineering Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010）

Abstract:With the continuous development of the global economy and the continuous progress of human civilization, the demand and utilization of all kinds of resources in different degrees of improvement. Electric power, as an indispensable energy source, is directly related to the quality and level of the production and life. But the traditional three natural renewable electricity production resources, coal, petroleum, natural gas, due to excessive exploitation and utilization has been depleted. And in recent years, people continue to rise to their own living environment requirements, development and utilization of new energy of environmental protection has become the focus of attention of the modern operation, the advantage of wind power gradually emerged. In this paper, through the analysis of wind power generation conditions, focus on the application of permanent magnet motor in wind power are discussed.

Key words:permanent magnet motor, vector control, modern wind power generation