大容量永磁式风力发电机的研制

(1发电设备国家工程研究中心， 黑龙江哈尔滨 150040； 2哈尔滨电机厂有限责任公司， 黑龙江哈尔滨 150040；)

0 引言

新型永磁转子同步发电机的优点如下：(1)励磁电压恒定-永磁体内的电势保持恒定不变，因为它取决于永磁体的几何形状和尺寸；(2)转动惯量较小-包括风力机透平转轮和永磁式转子在内的转动部分的转动惯量，只是常规同步发电机的10%～40%s；(3)同步电抗很低-只是常规同步发电机的40%～50%；(4)瞬态电抗为0，因为没有励磁绕组；(5)次瞬态电抗小-只是常规同步发电机的15%～35%；(6)永磁体内电势-为额定电压的100%～130%；(7)纵轴电抗与其横轴电抗，两者相等；(8)无功功率控制-因为发出的无功功率，取决于发电机的端电压与恒定的永磁体内电势之差，只要调节发电机的端电压，就可以调节无功功率输出；(9)电机感应电压与发电机转速呈线性关系；(10)装有阻尼绕组-可以使发电机能够承受反向电流，并防止短路工况下的局部去磁；(11)它是一种鲁棒(健壮)性能好、维护成本低、工作效率高的发电机。

目前世界上大约有10家大型风电设备制造厂商，其中一半以上都在进行永磁发电机技术的研究，或早已向市场推出了这种产品。采用永磁发电机来取代现有的双馈式异步发电机，方法很简单，那就是采用相同转速的永磁发电机和全功率变流器来取代有升速齿轮箱的双馈式异步发电机，只要对风力机和机舱的布置进行很小的改动即可。

当今世界大容量风力发电机的发展趋势正在由陆地转向海洋。然而在海洋这种环境下，设备的维护很不方便，所以要求发电设备的尺寸小、重量轻，而且还要提高效率和运行可靠性。为了满足这些要求，研究了几种方案的磁极和绕组形式，通过折中分析和优化对比，决定采用每极每相槽数q为分数槽的绕组来提高效率，并同时减小其所有高次谐波的畸变率，此时，最佳的q值应当在1和3/2之间。这种设计方案通过了转速为18r/min、容量为2.2MW中间机组的验证试验[1]。

1 分数槽绕组

大容量风力发电机典型传动系统对比数据见表1。

表1 大容量风力发电机典型的传动系统对比

大型永磁同步发电机采用分数槽绕组(见图1)的优点有：(1)能削弱磁极磁场非正弦分布所产生的高次谐波电势；(2)能削弱齿谐波电势的幅值，改善电动势的波形，采用双层短距分数槽绕组，使同一相中的导线感应的齿谐波电势不相同，使在合成总电势时能够减小齿谐波的效果；(3)减小因气隙磁导变化引起的每极磁通的脉振幅值，减少磁极表面的脉振损耗。其缺点是分数槽绕组的电动势存在奇数次和偶数次谐波，它们和主极磁场相互作用可能产生一些干扰力，当其频率和定子机座固有振动频率重合时，将引起共振，导致定子铁心振动。因此，分数槽q值选择必须进行优化。

图1永磁式风力发电机分数槽绕组分布示意图

根据表1可见，如果选择每极每相槽数q为q≤1/2的分数槽集中式分布的绕组，其线圈之间的间隔比较小，线圈端部的重叠部位也比较小，从而缩短了端部长度，减小了电机的铜损，下线操作也比较方便。 如果选择低中速型的结构设计，其优点是结构简单、可靠性高，缺点是尺寸比较大，重量比较重。如果选择高速型，虽然体积小、重量轻，但是需要装设多级齿轮箱，容易受到风力机旋转偏载的损坏，运行可靠性比较低。所以采用了一种折中方案，即中速型。

为了提高发电机的效率和改善气隙磁通的所有高次谐波的畸变率，就应当采用q≤1/2的多极方式，在这种情况下，既要提高发电机效率，又要减小所有高次谐波的畸变率，就必须通过分析对比和优化设计来予以平衡(见表2)。按照IEEE标准规定，所有高次谐波的畸变率应当≤5%。

表2 高次谐波畸变率(T)和铜损(P)与每极每相槽数(q)的关系

2 验证试验

在工程上通常把经过比例模型试验以后的设计项目，最后再按照比例或采用M1：1的比例制成真机，此时被称为中间机组，虽然它主要用于验证试验，但是以后多数都被利用到其它产品上。本文采用的中间机组是按照M1:1的比例制作的，它相当于真机。但是主要是用于验证试验。其主要参数见表3。

表3 中间机组的主要参数

永磁体的矫顽磁力以及抵抗外部磁场的能力，主要依赖的就是永磁体的温度。发电机的短路计算和确定永磁体的参数时，都必须在转子温度最高的情况下进行。此外，这个温度是考虑退磁危险的关键参数。永磁体的剩磁密度也取决于这个温度。它能影响发电机的性能和损耗。永磁体的温度越高，电压越低，就需要更大的定子电流，铜耗也增大。此时就必须考虑加强冷却。所以发电机采用了冷却效率比较高的水冷方式。

为了针对这种发电系统进行评价，采用了背靠背试验系统，即机组的一侧由电动机驱动，而另一侧则由发电机驱动，两机之间通过转矩计直接连接。驱动侧的变换器采用速度控制，发电侧的变换器采用转矩控制。在采用电网供电驱动时， 发电机发电；如果提高电动机效率，则发电机容量增大，就能实施负载试验。发电机效率可由测得的转矩和转速之积，再除以发电机电功率即可得到。由于验证试验机组采用了嵌入式的永磁体，它具有凸极性特点，在相位角θ=17°时的效率能够提高0.5%左右。这是由于对于电流相位的超前控制，对于永磁体来说会起到减弱磁场的作用，所以能减小铁耗。如果情况相反，电流的控制不是在超前相位区域，而是在滞后相位区域，则相对于永磁体转矩来说，磁阻转矩成分就会起到负面作用，而使永磁体增磁。如不进行电流相位的超前控制时，比如θ= 0°时，发电机的效率约降低1.0%。这是因为铁损增加，无效电流增加，铜损也增加，所以效率降低[2]。

3 谐波分析

气隙磁通电动势的谐波分量见表4。

表4 气隙磁通电动势的谐波分量

注 ：谐波比是指相对于电动势基波的谐波比

由表4可见， 在针对气隙磁通电动势波形所有高次谐波的畸变率采用FFT(傅里叶)进行分析时取得的结果表明，对应于设计的线电压所有高次谐波的畸变率为1.6%时的实际测量值为0.46%，这就明显的表明了：实际测量值远远优于原来的设计值，其中原因在于原来设计时设想的气隙磁通波形为方波，但是在实际上，矩形的两个肩部都没有角，而形成了具有一定光滑度的方波所带来的良好效果。

中间机组的试验结果表明，选择分数槽绕组q=8/7时的极数84，槽数288时，发电机输出电流的特性，包括所有高次谐波的畸变率(各次谐波的基准值或最大高次谐波畸变率的基准值)都优于IEEE—519规定的标准值，证明中间机组的设计是良好的，中间机组的开发是成功的。

4 结语

(1)对于多极永磁同步发电机来说，即使不增加分数槽绕组的槽数，也能增加绕组的分布效果，这是有效改善线间电压所有高次谐波畸变率特性的手段。

(2)由于采用分数槽绕组能够缩小线圈跨越范围，缩短线圈端部长度，所以就能够 (3)在减小电动势波形的高次谐波时，应当重视对采用分数槽绕组时高次谐波绕组系数的研究，以便优化永磁体的形状、特别是它的宽度。

(4)在中间机组上测量的电动势线，间电压所有高次谐波的畸变率为0.46%，这远远优于标准规定值的5%。

[1] 永磁风力发电机结构特点.大中型风力发电机文集(D).哈尔滨大电机研究所，1996.

[2] 戴庆忠.超高压永磁发电机.超高压电机文集(D).哈尔滨电机厂有限责任公司，2004.

[3] 包金山.分数槽永磁发电机的绕组排列(J).电机技术，1996(2)，17-19.