科普丨什么是永磁直驱型风电机组？

上一文，我们发布了《科普丨什么是直驱永磁和双馈风力发电机？（附视频）》，本文将深入介绍永磁直驱型风电机组的工作原理及主要部件，帮助读者全面了解其构成和功能。

风力发电是以永磁直驱风力发电机组为基础，利用风力驱动风力发电机组发电，并将其发出的电能接入电网的技术。利用当前的技术，让永磁直驱风力发电机组达到发电要求是可行的。首先，永磁直驱风力发电机组中的永磁发电机的特性是风力直接由风扇驱动，没有外部润滑油，也不需要外部调速设备,能够直接转换风力能量到机械和电能，从而使发电量有更多的可控性。其次，由于永磁直驱风力发电机组的发电特性，它具有较大的输出电力，出力范围宽，发电稳定，调节性强，维护成本低，维修简单的特点，可以满足大规模风力发电系统的发电要求。

定义

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，仅仅依靠增加磁极对数使得电机的额定转速下降达到转速调节的目的，由于不需齿轮箱，所以称之为直驱。

永磁直驱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有一重要风力发电机型受到广泛关注，并逐渐开始投入使用。

工作原理

永磁直驱风力发电机组是由永磁发电机、叶片、叶轮、结构框架以及其他相关电控设备组成的新型高效发电装置。

其工作原理就是利用风力带动风力机叶片旋转，拖动永磁直驱发电机的转子旋转，实现发电。永磁直驱风力发电系统和笼型变速恒频风力发电系统类似，只是所采用的发电机为永磁式发电机，转子为永磁式结构，不需外部提供励磁电源，提高了效率。它的变频恒速控制是在定子回路中实现的，把永磁直驱发电机的变频的交流电通过变频器转变为电网同频的交流电，实现风力发电的并网，因此变频器的容量与系统的额定容量相同。

优势

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。

2、可靠性高：齿轮箱是风力发电机组运行出现故障频率较高的部件，直驱技术省去了齿轮箱及其附件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性。同时，机组在低转速下运行，旋转部件较少，可靠性更高。

3、运行及维护成本低：采用无齿轮直驱技术可减少风力发电机组零部件数量，避免齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护成本。

4、电网接入性能优异：直驱永磁风力发电机组的低电压穿越使得电网并网点电压跌落时，风力发电机组能够在一定电压跌落的范围内不间断并网运行，从而维持电网的稳定运行。

技术特点

1、永磁同步发电机系统不需要励磁装置，具有重量轻、效率高、功率因数高、可靠性好等优点；

2、变速运行范围宽，即可超同步运行也可以亚同步运行；

3、转子无励磁绕组，磁极结构简单、变频器容量小，可以做成多极电机；

4、同步转速降低，使风轮机和永磁发电机可直接耦合，省去了风力发电系统中的齿轮增速箱，减小了发电机的维护工作并降低噪声，使直驱永磁风力发电机系统；

5、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。

主要部件

1. 风轮

风轮是风电机组的核心部件，由轮毂、叶片和罩壳等组成。其主要任务是通过叶片捕捉风能，并将其转化为机械能。

轮毂

轮毂的作用是支撑叶片，并将其与传动系统连接起来。轮毂通常由钢或铸铁制成，需要具备足够的强度和刚度，以承受风荷载和叶片的离心力。

叶片

叶片的作用是将风能转化为机械能。叶片通常由玻璃钢或碳纤维制成，具有良好的空气动力学性能。叶片的形状、尺寸和材料都会影响风力发电机组的效率和性能。目前世界上最长的叶片长度已经超过了130米。

（资料图：中材科技）

罩壳

罩壳的作用是保护风轮免受外界环境的影响。罩壳通常由玻璃钢或碳纤维制成，能够抵抗风沙、雨雪等恶劣天气。

2. 发电机

发电机是将机械能转化为电能的核心设备。在永磁直驱型风电机组中，采用的是永磁直驱发电机。这种发电机具有结构简单、效率高、维护量少等优点。

永磁直驱发电机的结构：主要由定子、转子、机壳和冷却系统组成。

定子：定子由铁芯、绕组和机槽组成，用于产生感应电动势。

转子：转子由永磁体、磁轭和转轴组成，用于产生磁场。

机壳：机壳的作用是支撑定子和转子，并保护内部部件免受外界环境的影响。

冷却系统：冷却系统用于对发电机内部部件进行散热，确保发电机在长时间运行中保持适宜的工作温度。

（资料图：金风科技3.0MW直驱风机）

3. 主轴

主轴是支撑风轮的关键结构，使其能够旋转。主轴的设计需要考虑到高强度、轻量化以及对恶劣天气的适应性，确保风电机组在各种条件下都能安全可靠地运行。

4. 塔筒

塔筒是风电机组的支撑结构，将整个机组高悬于地面。塔筒的高度会影响到风能的捕捉效果，同时也需要具备足够的稳定性和承载能力。

5. 变流器

变流器是将发电机产生的交流电转换成可并入电网的工频交流电的设备。在永磁直驱型风电机组中，通常采用全功率变流器，能够实现双向功率控制，可用于无功补偿和调频。

6. 偏航系统

偏航系统是确保风轮始终朝向风的重要系统。它包括偏航驱动装置和偏航传感器，通过实时监测风向并调整机组方向，保持最佳的风能捕捉效果。

7. 冷却系统

冷却系统用于对发电机、变流器等核心设备进行散热，确保设备在长时间运行中保持适宜的工作温度。高效的冷却系统有助于提高设备的稳定性和可靠性。

8. 润滑系统

润滑系统对风电机组的机械运转至关重要。它确保各个运动部件在高速运转中能够保持良好的润滑状态，减少摩擦损耗，延长零部件寿命。

9. 监测与维护系统

监测与维护系统通过传感器和远程监控技术，实时监测风电机组各个部件的状态。这有助于提前发现潜在问题，进行预防性维护，提高风电机组的可靠性和可维护性。

10. 其他部件

除了上述主要部件之外，永磁直驱型风电机组还包括变压器、电缆、接地装置、消防系统等辅助部件，它们共同保障风电机组的安全、高效运行。

（资料图：电气风电）

适用场合

1、在电力设施匮乏、交通不便、缺乏常规燃料，但风力资源丰富的地区，可以解决部分用电问题，如为高速公路照明设备提供电源等；

2、在单机容量比较小的风场，永磁同步发电系统能够高效并网发电；

3、为农村、牧区、边防哨所、气象台站等偏远、负载较轻的用户，提供交流或直流电源。

总之，永磁直驱风力发电机组是一种新型的高效发电装置，它具有较大的输出电力，出力范围宽，发电稳定，调节性强，维护成本低，维修简单等优势，可以高效转换风力能量，满足大规模风力发电系统的发电要求。因此，永磁直驱风力发电机组并网发电技术的发展将对促进风能发电的发展具有重要的作用。

来源：百度文库、风电电气设计、银海电气