永磁同步风力发电机的原理和应用分析

　　我国风能资源丰富，可开发的风能潜力巨大。根据有关资料，我国陆地风能资源可开发量23.8亿千瓦，海上风能资源可开发量约2亿千瓦。我国风能资源比较集中，“三北”地区（华北、东北和西北）以及东南沿海地区、沿海岛屿潜在风能资源开发量约占全国的80%。风能资源与煤炭资源的地理分布具有较高的重合度，与电力负荷则呈逆向分布。

　　近日，一款拥有自主知识产权，最大功率为2.5MW的高速永磁同步风力发电机在南车株洲电机有限公司成功下线。该发电机具有效率高、体积小、结构紧凑、成本低、可靠性高、维护量小等诸多优点，采用全功率变流控制，使机组具有良好的低电压穿越性能；该发电机与直驱型永磁同步风力发电机相比，体积大大减小、重量大大减轻，特别是磁钢用量大大减少，在稀土价格居高不下的今天，该产品的高性价比优势更加突出，具有很好的市场前景。该发电机的成功研制标志着我国企业已具备自主研发具有国际先进水平高速永磁同步风力发电机的能力。

　　“十二五”时期，我国风电装机容量占发电总容量比例将进一步加大，出于电网安全考虑，风电机组必须在“低电压穿越”保障下“御风而行”。据中国国家发改委能源研究所有关人士透露，2020年陆地风电的成本将与煤电持平，之后风电将逐步脱离国家补贴，“降低成本”也成为风电行业未来发展面临的新的“瓶颈”。南车株洲电机有限公司成功推出2.5MW高速永磁同步风力发电机，实现了发电机低成本制造，使机组极易实现低电压穿越，在国内处于技术领先水平。

　　永磁同步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又一重要风力发电机型受到广泛关注，并逐渐开始投入使用。永磁同步风力发电系统基本结构如图1所示，它主要由风力机、永磁同步发动机、变频器和变压器组成。

图1 永磁同步风力发电原理图

　　（1）基本原理

　　永磁同步风力发电的基本原理，就是利用风力带动风力机叶片旋转，拖动永磁同步发电机的转子旋转，实现发电。永磁同步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，把永磁同步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。

　　（2）技术特点

　　在过去的几十年里，由于永磁材料性能和电力电子装置的改善，永磁同步发电机已变得越来越具吸引力了。采用永磁同步发电机的风力发电系统具有以下特点：

　　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。

　　（3）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。