直驱式永磁风力发电系统可行性技术探讨

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摘要：随着人们对用电的需求逐渐增大，发电系统的可靠性成为了电力部门着重研究的目标方向。传统的发电方式主要是靠煤炭的火力发电，其发电系统的永磁发电机用稀土永磁材料制作而成，而稀土永磁材料价格较高，不但不能节约成本，相反还会提高电力生产的成本，从而使得当代经济发展与电力需求的矛盾更加尖锐。因此，电力部门急需用其它发电系统来代替传统发电方式，永磁风力发电系统为解决这一矛盾提供了一条可行的路径。

关键词：直驱永磁风力发电系统，可靠性技术，发展趋向

中图分类号：TM315文章标识码：A 文章编号：1672-2310（2015）10-003-17

引文：在新型的环保能源中，风力发电是最清洁卫生、全球发展最快的可再生能源。风力发电的首要条件是需要高密度风力资源，而高密度的风能的采集又需要大直径的风力机，由于风速机的风速和风向具有多变和不稳定性，所以要想获得稳定的电压和电频，就得采用变速横频的控制技术。

一、直驱永磁风力发电系统的可靠性基本理论

直驱永磁发电机顾名思义是在传功链中不含有增速齿轮箱，众所周知，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。而电动机转速、磁极对数与频率有一定的关系，所以当极对数不变时，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钟。这就需要在叶轮与发电机之间加入增速箱。永磁直驱发电机通过增加磁极对数从而使得电机的额定转速下降，这样就可以达到变速齿轮箱的作用，直接驱动电机转动，故名直驱。而齿轮箱是风力发电机组最容易出现故障的部件，所以，永磁直取的可靠性要高于双馈。风力发电机也在逐步的永磁化，采用永磁风力发电机，不仅可以提高大电机的效率，而且能在增大电机容量的同时，减少体积，而且由于发电机采用了永磁结构，省去了电刷和集电环风力机等容易损耗的机械部件，从而大大提高了系统的可靠性。这也是风力发电机的发展趋势。

二、提高永磁风力发电系统可靠性措施

1、选择技术、质量过硬的的系统元件，预防故障产生。在系统建立初期，选择合适的系统元件时，一定要选择质量合格的元件，以确保不会因元件质量问题对系统产生不必要的影响。并在建立完系统后对系统进行测试，尽早的排除可能会出现的故障，这些都是预防故障产生的基本手段。

2、周期性对系统元件进行保养维护，减小故障产生机率。系统元件在发电系统的正常运行以后，存在一定的机械磨损，因此在对系统进行检测时，除诊断系统故障之外，通过对系统元件进行功能的检测，如果发现系统元件磨损过多，造成元件功能下降时，可对元件进行保养维护，或对其进行更换，避免因元件的问题造成系统的瘫痪。

3、要保证系统的故障容错能力，确保系统在出现问题时，有可用的元件进行代替。要做到这一点，可以重点对以下几个方面进行重点对待：

（1）对系统分区，当一个部分的系统出现问题故障时，另一部分不受其影响，可以正常工作，等问题区域重新恢复正常时，可不必再重新启动系统。

（2）要及时的检测到系统故障。故障出现的时候，因为有元件的代替，所以有时候很可能很快就恢复正常，这就要求在出现故障时要及时发现并更换代替元件，使系统有更高的可靠性。

4、对于已经出现的系统故障，在替换系统元件时，要保证只需要更换简单的系统元件就可使系统重新工作，并不需要把整个系统重新换掉，也就是说，系统中要有独立存在的运行能力。

三、风力发电机系统中容易出现的故障

1、电网故障。电网故障一般可以分为两种：第一，电网三相短路，造成电网的电压相位突变。第二，电网单相、双相短路，造成的三相电压不稳。

2、风力发电机故障。电机由于负荷连续不断的变化引起热循环不良损坏绝缘，因此电机绕组故障时电机本体故障的主要表现形式，另外永磁体由于长期处在高温的运行环境中，容易退磁造成电机故障。区别于以上技术性故障，风力发电机还由于长期运行的机械损伤需要更换桨叶、拆卸，保养，或者重新安装。当风轮转速明显降低时候需要更换轴承以及叶片。3、功率变流器故障。功率变流器是风力发电系统中的核心部件，也是脆弱的环节。在风力发电系统长期运行中伴随着电力电子器件开路短路、直流链电容故障等形式的故障

四、提高直驱风力发电机系统的可靠性技术

1、提高风力发电机组的故障诊断技术。风力发电时，由于工况比较特殊，因此容易出现很多不同形式的故障，这些故障有的可以很容易被辨别，而有的则极难被识别，如果不能及时诊断出故障，就容易使发电系统瘫痪，因此，这就要求我们提高检测故障的技术，来提前避免此类现象的发生。提高检测技术可以从两方面入手：第一，提高专门检测硬件设施的技术。第二，提高专门检测软件设施的技术。

2、提高电机冷却技术。电机冷却有助于减少电机的消磁现象，因此提高电机冷却技术的研究是可行的，其方法主要有以下两种：

第一，蒸发冷却技术。蒸发冷却技术是为了提高电机的热负荷率，其冷却技术在最初主要是用于汽轮发电机和水轮发电机，通过研究，也可以运用于大型风力发电机中。但由于目前技术还不够完善，因此还需要对这一技术进行提高。

第二，高温超导技术。高温超导技术主要是指在电机运行中，利用一定量的高温超导线材对电机进行温度引导，电机温度降温到一定程度时，金属的电阻会突然消失变为零。这种高温超导技术可以使传统电机的损耗减少很大一部分，有利于发电机的正常工作。

3、保证直驱永磁风力发电系统的低电压穿越技术。风资源具有不稳定性，因此其风电组本身也经常会产生不稳定情况，这就要求我们提高风电并入电网后，让其电网的电压保持一定的数据频率，使其电压持续保持稳定。同时，在直驱永磁风力发电系统中，由于变流器的热容量是有限的，所以就必须对输入的电流量加以控制，使其不要过大或过小，以保证直驱永磁风力发电系统的低电压。

4、优化直驱永磁风力发电系统并网运行控制策略。在风电场并网母线配置储能系统，设计出先进的闭环控制器，平抑风电场输出的功率波动，使得风力发电系统输出的电能动态性能良好，并网稳定运行。

结语：风力发电是技能环保发电的一个重要途径，在我国，利用大型直驱永磁风力发电系统发电的技术虽然还处于摸索探索阶段，但已经初步有了一定的经验，并在逐步完善发电系统。通过本文的简略介绍永磁风力发电系统，可发现其发展已经逐渐向多种结构形式的技术方向做延伸，并努力使制造工艺模块化，使发电技术智能化，以求尽量满足人们的用电需求。

参考文献：

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