永磁电机在风力发电系统中的应用及其发展趋向
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【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。风力资源的有效开发利用，为人们的生产生活提供了更加环保、便利的动力基础。风能发电作为现阶段供电企业提供电力的重要生产方式，对社会经济的整体发展有着十分重要的影响。电机是风力发电的基础环节，对风力系统的有效运转提供了有力的保障。
【关键词】永磁电机;风力发电系统;应用
全球经济快速发展的背景下，对天然气、煤炭、石油等不可再生资源的需求量不断增加，资源的过度开采和利用，对环境造成了严重的破坏和污染，资源储量也在快速降低，为了实现人类和环境的和谐发展，必须将能源和环境提到日程中。风力发电是利用风能的一种新型技术，永磁电机具有运行可靠、效率高、功率密度大等特点，其在风力发电系统中的应用，能够有效的提高风力发电系统生产水平和效率。因此，对永磁电机在风力发电系统中应用和发展的研究具有非常重要的现实意义。
一、永磁电机的应用类型
1、径向磁通永磁电机。径向电机的磁通走向顾名思义，磁通在电机中的运转模式主要是直线流通，由于转子的内外不同，电机的结构也存在较大的差异。径向永磁电机通过面贴、埋入等方式在转子上进行永磁体的安装。该种永磁电机的特点是，造价成本相对较低，制造工艺并不复杂，生产模式简单，并且由于径向磁通永磁电机的规格多样，可以满足不同风能发电系统的技术要求，因此适用范围较广，是当前阶段风力发电应用永磁电机的首选。
2、轴向磁通永磁电机。轴向电机产生围绕机组流转的磁通，由于电机的组织结构不同，分为有槽式轴向磁通永磁电机与无槽式轴向磁通永磁电机、双转子轴向磁通永磁电机等电机构造。轴向电机因其电磁走向呈环状，因此绕组方便，尤其是无槽式电机的转动时产生的振动幅度与噪音较小，方便使用。与此同时，无槽式轴向磁通电机由于规模较大，需要的部件较多;无槽式轴向磁通电机的部分设备部件的加工工艺较为复杂，操作需要的专业水平较高，不利于其在规模较大的风电系统中应用。
3、横向磁通永磁电机。作为永磁电机的三种主要结构类型之一，横向电机的磁通与转子的运行方向呈90°夹角，可以有效增加绕组的空间，并且不对磁通运转空间造成影响。按照其拓扑构造的不同，可以分为爪极式、单双边式、C形铁心等形式。由于构造结构与加工工艺过于复杂，漏磁现象严重，力量密度变卦不稳定等，所以只适用于气隙小的风力发电系统。与此相对应的，该种电机的绕组较为简单、力量密度也相对较高，因此也是当前阶段较为常见的永磁电机之一。
二、永磁电机在发电系统中的应用
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类型。
1、低速直驱永磁电机风力发电的特征和应用。低速直驅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。
三、永磁电机在风力发电系统中的发展
近几年，越来越多的发电厂开始以风力能源作为发电系统的主要动力，风力发电机开始逐步向大型化发展。永磁发电机作为大型风力发电系统的重要组成部分，为顺应现代化经济的发展，满足更多企业、个人的用电需求，相关单位不断对其进行新功能开发，以期为供电产业的发展提供更加有力的保障。
1、电机结构型式。在电机的结构方面，可以通过增加设备直径，提高其运动速度来提升电机运行效率，降低机器的重量与面积。如从增大直径与减少电机体积两方面出发，研制的超薄型径向磁通电机——NewGen。这种直径长与体积小的永磁电机，由于其携带方便、使用简单的特点，已经成为当前阶段永磁电机研究的重点发展方向。与此同时，由于铁心的重量在永磁电机的总重量所占比重较高，因此进行电机设计时，可以考虑去掉铁心，设计无铁心定子永磁电机，在减轻电机中力量的同时，对降低齿槽脉动噪音与震动的幅度，减少能源损耗也有着十分重要的作用。
2、电机冷却技术。近年来，电机冷却技术研发非常活跃，例如低速直驱永磁风力发电机，由于体积和散热面积较大，一般采取自然和强迫风冷。大功率的中速和高速永磁风力发电机，由于热负荷较大及散热面积有限，多采用水冷方式。改进散热条件和增加散热能力，有利于提高电机的电磁负荷从而减小电机的体积和重量。
3、电机控制技术。永磁电力风机发电系统电机控制技术的发展方向，主要集中在提高机组效率、电能质量以及运行可靠性方面，从发电机控制、功率变换控制方面来看，采用多绕组、多相结构，既能够提高系统运行可靠性，又能够保证电机的出力。
4、功率变换技术。受变流器制造成本的制约，目前3MW以下的永磁风力发电机多采用额定电压为690V的变流器。随着功率的增大，采用低压变流器会使发电机的额定电流过大，绕组出线过粗，不仅产生较大的线路损耗，而且造成机组安装和维护的诸多不便。3MW以上的风力发电机，逐渐向提高额定电压采用中压（3～6kV）变频器方向发展。永磁风力发电机采用的全功率低压变流器，多采用两电平的背靠背双PWM变流器拓扑结构，而中压变流器采用多电平结构，采用AC-DC-AC功率变换方式。采用矩阵变流器的AC-AC直接功率变换系统，省去交流侧的滤波器和直流侧的电解电容，可节约成本和提高变流器效率，是功率转换技术的发展趋向之一。
永磁电机相较于传统的电机，具有高效能、高运转、高安全性等特点，为此现阶段，已经被广泛地应用于风能发电系统中来。然而，由于永磁电机的生产、加工过程中需要大量的稀土材料，其生产成本较高，无法在风能发电领域得到大范围的普及。在此基础之上对永磁电机进行合理的应用，维护其使用质量，延长电机的使用寿命，是电力产业快速发展的重中之重。相关技术领域应针对永磁电机的运行特点，加强对电机结构、冷却、增速、功率变换等方面的功能研发，为供电产业快速、绿色、健康的发展提供技术层面的支持。
参考文献：
[1] 王宏海.基于永磁同步电机的直驱型风力发电系统控制策略的研究[D].燕山大学，2016.
[2] 颜建虎，林鹤云.直驱永磁风力发电系统非线性控制策略[J].电气开关，2015，53（3）.
（作者单位：淮南电力检修公司）
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