大型风力发电机技术综述

2023-11-10张书博朱曙光陶定新张根现

河南科技 2023年20期

张书博朱曙光陶定新张根现卢静

（中信重工机械股份有限公司，河南洛阳 471000）

0 引言

在“双碳”战略实施的背景下，新能源快速发展，可再生能源逐渐成为人们关注焦点。风能成为发电能力成本较低的新选择，并成为一种较有竞争力的清洁能源发电方式［1］。自2004年以来，大型风力发电机的投入运营累计数量显著增加，这是因为大型风力发电机具有较高的输出功率和较低的平准化度电成本（LCOE）。然而，在不影响大型风力发电机材料量（包括质量、体积和建造成本）的前提下，对其进行升级是非常具有挑战性的。因此，大兆瓦、小体积的风力发电机的开发已经成为目前行业内的研究重点［2］。

在过去十年里，成功开发出各种风力电机的电气和机械转换系统，按照传动机构来划分，风力发电机可分为3种类型。一是直驱型永磁风力发电机，其传动系统的主轴直接连接到没有齿轮箱的低速同步永磁风力发电机上。二是齿轮箱传动型双馈风力发电机，其传统系统由三级传动齿轮箱和耦合系统组成，并连接到一个高速双馈发电机上。三是半直驱永磁风力发电机，其传动机构由一个一级变速齿轮箱或一个两级变速齿轮箱连接到中速永磁的同步发电机上。

从长远来看，风力发电机从有齿轮箱结构向无齿轮箱结构方向发展［3］。因此，一些厂家生产的大兆瓦风力发电机组（SG 8.0-167，Siemens、XE128-5MW，Darwind、Haliade-150-6MW，Alstom、V164-8.0，Vestas）采用的是直驱风力发电机系统。这种结构能提高能量产量及转换系统的可用性和可靠性，但直驱型永磁风力发电机存在重量大、成本高等缺点。因此，引入半直驱风力发电系统来降低传动比，可以实现高效率和轻质量，避免直驱风力发电机系统和双馈风力发电机系统存在的缺陷［4］。

本项目主要开展对大型风力发电机技术的现状和发展的研究。首先，分析不同传动结构下大型风力发电机的特点，并进行比较。其次，对大型风力发电机的发展前沿进行分析。最后，结合分析给出结论。

1 不同传动结构的风力发电机对比分析

1.1 直驱式风力发电机（低速发电机）

在直驱式风力发电机（DDWT）中，发电机直接与转子轮毂连接在一起，因此其以低转速运行。永磁同步发电机（PMSG）和电励磁同步发电机（EESG）是常用的风力发电机，二者的区别如下。首先，励磁方式不同。PMSG 采用的是永磁体励磁方式，EESG采用的是电励磁方式。其次，抗扰性能不同。PMSG具有较好的抗扰性能，在风速变化较大时能保持较稳定的输出功率，而EESG 的抗扰性能较差，容易受到外界干扰，从而导致输出功率产生波动。再次，稳态响应和动态响应不同。PMSG 的稳态响应和动态响应比EESG 要快，能更快地适应风速变化，从而提高风机发电效率。最后，二者的成本和可靠性不同。PMSG 的制造成本较高，但无需电励磁系统，具有较高的可靠性，而EESG 的制造成本较低，但需要电励磁系统，可靠性较低［5］。

目前，PMSG 和EESG 都被广泛用于大型DDWT中。尽管EESG 在高功率方面不如PMSG，但EESG的低制造成本使其具有较大的竞争力。德国爱纳康公司生产的Enercon E-1267.5 MW 风力发电机的EESG结构如图1所示。

虽然EESG 的制造成本低，但PMSG 具有众多优点，生产厂家依然倾向于设计生产PMSG，生产厂家有西门子、Adwen、GE、金风科技、浙江运达、上海电气、东方电机等。以下对3种不同结构形式的PMSG进行分析。

1.1.1 径向磁通电机（RFPM）。RFPM 是目前市场上常用于DDWT 的一种拓扑结构，其制造工艺十分成熟。西门子公司在产品制造时多采用RFPM结构，代表性产品有SWT 6.0-154（6 MW）、SWT 8.0-154（8 MW）。此外，GE 及金风科技公司的产品结构也为RFPM。RFPM 在可靠性和效率方面表现优异，大多数RFPM 具有内转子。但也有研究者对2 MW风力发电机中具有外转子的PMSG电机进行设计［6］，结构如图2所示。

图2 外转子结构径向磁通永磁电机

1.1.2 轴向磁通电机（AFPM）。AFPM 是一种新型风力发电机，采用轴向磁通结构，能在低风速时输出高效电能。目前，学术界对AFPM 结构的小型风力发电机研究较多，对大型风力发电机的研究相对较少［7-8］。Vizireanu 等［9］对功率为2.7 MW 的AFPM 进行研究，该发电机有1 个定子和2 个PM 转子。为最大限度减轻机器的重量，尤其是支撑结构的重量，Zhang 等［10］对海上风力发电机使用的10 MW 无铁芯AFPM 进行研究。与RFPM 相比，在额定功率下，AFPM 的重量和轴向长度相对较小，但AFPM 存在低扭矩质量比、结构不稳定及难以维持大直径的气隙长度等缺点［11］。综上所述，AFPM发电机具有高效、低噪音、轻量化等优点，适用于小型风力发电系统，而RFPM发电机具有高效、高转矩、高起动风速等优点，适用于大型风力发电系统。2009 年，Jeumont Industry 在法国Widehem 风电场成功安装了第一台轴向磁通永磁电机J48/750（0.75 MW）样机［12］，如图3所示。由图3可以看出，该风机没有体积庞大的齿轮箱，风力发电机的轴向长度大大减少。

图3 Jeumont Industry的J48/750风机

1.1.3 横向磁通电机（TFPM）。TFPM 风力发电机是一种新型风力发电机，与传统风力发电机不同的是，其采用的是横向磁通结构，能在低风速产出高效的电能输出。TFPM 具有高转矩密度、较低的铜损、较为简单的绕组结构等优点，适用于直驱电机系统［13］。与传统电机结构相比，TFPM 的磁通流通路径为三维，因此其结构更为复杂。Bang等［14］设计出一种轻型10 MW 横向磁通永磁电机，与RFPM 相比，该发电机的质量减少60%。颜建虎等［15］提出一种新型聚磁式横向磁通盘式永磁发电机，其定子铁芯沿径向有交错的内外齿，并将永磁体嵌入转子铁芯中，能有效提高横向磁通电机的空间利用率和气隙磁密。此外，该发电机的定子铁芯采用软磁复合材料（SMC），能有效避免传统硅钢片无法三维导磁的问题。电机设计模型如图4 所示。

图4 聚磁式横向磁通永磁盘式风力发电机

1.2 双馈感应风力发电机DFIG（高速风力发电机）

DFIG 是一种常见的风力发电机，也被称为双馈异步发电机，由转子、定子、变频器、电容器等组成。与传统感应发电机相比，DFIG 能在相对较高的滑差下工作。定子可直接连接到电网，而转子通过部分比例转换器连接到电网［16］。DFIG 的转换效率较高，其将风能转换为电能的效率在90%以上。此外，DFIG 的稳定性较好，可通过变频器来控制输出电能的频率和电压，从而保证电网的稳定性，减少对电网的影响。

2023年3月，三一重能公布一款9 MW 的双馈海上风力发电机，实现了超大型双馈风力发电机在海上应用的技术突破。此前，双馈风力发电机通常不在超大型风力发电机（超过8 MW）中应用［17］。尽管如此，因DFIG 使用齿轮箱和复杂的控制策略，与直接驱动同步发电机相比，DFIG的工作效率较低。

1.3 半直驱风力发电机（中速发电机）

半直驱风力发电机是一种新型风力发电机，通过风轮运动来带动转子，并直接传递给发电机。同时，通过减速器将旋转速度降低到合适的范围。在结构上，半直驱风力发电机具有双馈风力发电机和直驱风力发电机的特点，其将永磁电机与具有减少级数的齿轮箱耦合，能避开齿轮传动系统和无齿轮传动系统的缺点［18］。因此，与传统发电机相比，半直驱风力发电机具有更高的效率和更轻的质量，从而被广泛应用于海上大型风力发电机中。

与直接驱动永磁风力涡轮机相比，大型半直驱动永磁风力发电机的速度和功率密度得到显著提高，其设计参数的选择，尤其是磁极结构、极数和极槽配合的选择，与直驱风力发电机不同。欧金生等［19］以一台3.2 MW 的半直驱永磁风力发电机为例，对主要尺寸、极数、极槽配合、磁极结构及气隙值等具体数值进行计算。

2022 年12 月，全球最大的半直驱永磁风力发电机（19 MW）顺利完成总装及并网调试，我国风力发电技术实现重大突破。永磁半直驱风力发电机具有价格适中、体积小、重量轻及可靠性高等优势，发展该种风机已经成为国内风力发电机行业目前重要的发展方向［20］。

2 大型风力发电机技术发展方向

2.1 铁氧体风力发电机设计

PMSG 所需的PM 量与风力发电机的体积大小成正比、与机器速度成反比［21］。大型发电机的设计，PMSG 比EESG 更具优势，但PMSG 所用到的材料为磁钢，其价格波动较大，非常不稳定。中国是全球最大的稀土元素生产国，也是储量最丰富的国家之一。由中国地质调查局发布的数据可知，中国稀土储量占全球总储量的38%，主要分布在内蒙古、四川、广东、云南等地。中国稀土元素的储量和产量在全球稀土市场中占据重要地位，在全球稀土市场供需格局中有着举足轻重的地位［22］。

虽然中国的稀土元素储量较大，但从整个电机行业技术发展方向来看，研发出无稀土发电机的设计方案势在必行，尤其是大型风力发电机组。Bhuiyan等［23］基于DDWT结构，仅用铁氧体磁体就设计出6 MW 的PMSG，通过对1 台安装有钕铁硼（NdFeB）的稀土发电机和1 台安装有铁氧体磁体的发电机进行试验对比（二者有相同定子）。试验结果表明，虽然铁氧体磁体的发电机更重，但这2 台电机的发电量基本相同，损耗略有差异。因此，如果稀土价格持续上涨，铁氧体永磁同步发电机将会有更大的发展空间。此外，Halbach 阵列可用于集中磁通，这是因为一个磁极的磁通是由2 个磁体产生的，对拓扑结构进行优化为铁氧体发电机的设计提供新思路［24］。

2.2 高温超导风力发电机（HTSG）

随着高温超导技术的发展，高温超导发电机有着较快发展。相较于传统发电机，HTSG具有更高的能量密度、更轻的质量和更小的体积等优势，可用于风力、水力、光伏等新能源发电系统中，能提高发电系统的效率和可靠性。HTSG 的核心部件是高温超导线圈，其具有非常高的电流密度和磁场强度，可在较小的体积内产生更强磁场，从而提高发电机的输出功率。此外，HTSG还具有低噪音、低振动、无需维护等优点。虽然HTSG 还存在成本高、制造难度大等问题，但其在新能源发电领域中的应用前景仍然十分广阔［25］。

邓广宇［26］对10 MW 高温超导风力发电机进行研究，并给出详细的设计方案，相较于传统风机，超导风机会产生更严重的故障电流及故障转矩，同时，励磁线圈会面临失超的风险。采用电流源励磁、铁心定子磁路结构及在合理范围内降低气隙磁密、减少线圈匝数等方式，能有效抑制故障电流和故障转矩。2018 年，第一台高温超导风力发电机在丹麦沿海地区成功安装，此成果代表着风力发电机高温超导技术的应用实现突破，可替代当今昂贵的重型永磁直驱发电机［27］。此外，随着高温超导材料技术的发展，以钇钡铜氧化合物为代表的第二代高温超导材料由于具有高临界磁场、高临界温度、高电流密度等本征物理优势，因而对促进超导电机的进一步发展具有重要意义［28］。