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摘要：随着世界各国对环保的不断重视，风能、水利、太阳能等都是最为常用的清洁能源逐渐成为世界各国的重点应用。其中，风能的利用最为简单，施工成本也较小，因此，充分利用风能成为研究热点。本文主要介绍了直驱永磁同步发电机组的基本构成及控制系统，并概述了其在风力发电系统的模型。
关键词： 直驱；永磁同步发电；风力发电；应用
1 引言
直驱永磁同步风机风力发电系统的永磁同步发电机采取优化的电机结构，无需使用电刷和滑环使得电机转子在低速度运行状态下发电机仍然可以正常工作，其可以直接通过传动轴将发电机和风轮机直接耦合到轮毂上进而通过叶轮直接驱动发电，不需要额外使用齿轮箱使得发电系统的能量转换效率大大提升，使得发电效率进一步得到提升，由于没有使用齿轮箱，使得发电机的维护成本也大大降低，并且发电系统运行的噪音也很小。此外，永磁发电机的结构比励磁发电机的结构更适合做成多极低速结构，进而可以获得更小的电机转矩，也进一步缩小了电机的体积和质量，提升了发电效率。因此，直驱永磁同步电机系统成为大家的研究热点。
2 直驱永磁同步发电机概述
永磁同步发电机转子是由永磁材料制造而成，其不需要额外增加励磁绕组就可以完成励磁，这就使得永磁同步电机不存在额外的绕组损耗；此外，其可以直接通过传动轴将发电机和风轮机直接耦合到轮毂上进而通过叶轮直接驱动发电，不需要额外使用齿轮箱使得发电系统的能量转换效率大大提升，并且不需要为齿轮箱进行维护，大大降低了维护成本。直驱永磁同步风力发电系统主要包括桨距控制式风力机，其主要用于获取自然环境中风能；永磁同步发电机，其主要将获取的风能转换成电能；全功率变频器，其主要是对生产的电能进行变频处理，以方便进行后续传输；发电控制系统对发电机整个运行系统进行控制，发电机产生的电能通过发电机侧变频器整流后由电容存储再通过电网侧变频器将电能输送给外部电网，以供外部使用。当前风力发电系统主要朝着大型化和变速变桨矩趋势发展，变速恒频的发电技术也成为最为广泛使用的风力发电技术，采用这一该技术的风力发电机组中直驱式永磁同步发电机和双馈式感应异步发电机使用最为普遍。双馈发电机也存在不容忽视的缺点，主要表现在双馈电机的升速齿轮箱效率低、故障率高、维修难度都、运行成本高，其维护保养费用占整个风电设备成本的百分之二十左右。而直驱式永磁同步发电机不需要使用齿轮箱转自则通过永磁材料进行励磁，很好地解决了双馈发电机存在的难题。
3 直驱永磁同步风机风力发电系统模型概述
一般而言，主要在 坐标系建立永磁风力发电机系统模型，该坐标系主要用于交流电机的模型建立。电机定子磁链与转子磁链相互吸引产生电机转矩。在对发电机的运行模型分析时，一般都将 坐标系定位于转子磁链上，以保证磁链方向就是 轴所在方向， 轴则超前 轴90度电角度，进而形成同步旋转的正交坐标系。接下来，基于dq坐标系将电机所有交流变量转化为直流量并投影于该坐标系的两个轴上，分别对两个轴上的分量进行针对性控制，就可以实现对电机的定子及转自磁链进行精确控制。此外，内转子永磁同步电机的转子磁场由不可控的永磁体产生，只能对定子磁场进行控制，进而控制电机电磁转矩。 同步旋转坐标系中建立的永磁同步发电机组数学模型表示如下：
要保证发电机组的电压、相位和频率与并网电网的电压、相位及频率一致，才可以稳定的实现与外部电网的并网，进而将发电机组产生的电能输出，但是由于风力的不稳定性，无法保证其频率的稳定，因此实现输出电能的频率稳定是一项艰巨的任务。传统的恒速恒频发电系统一般采用鼠笼型异步发电机，当发电机组的转子转速远大于同步转速时就会大转子风车，并且风速突变很容易造成发电机组的机械损伤，因此，在设计时要考虑充分的安全保障措施，进而导致发电机组的整体结构变得复杂，设备成本大大增加。为了解决上述问题，一般采用变速恒频控制方式来对直驱永磁同步发电机系统进行控制，使得输出的电能不会随着风速的变化而出现波动，实现恒频输出，并且该系统还可以实现风力的变速运行，使得发电机转子可以随着风速动态变化，减少了出现飞车的可能性，提升了风力发电效率，还可以适应不同的风速等级，大大降低了风力发电对地域的限制，当风速较高时，风力机可以将吸收的风能以动能的形式储存于高速运转的风轮中，减轻了主轴及风力机的受力程度，当风速较低时，风力机转速越低，风轮叶片的尺寸就要越大；对于变速机组来说，风力机转速与风速成正比，所以较少受风速低时噪音的限制，转速仍会大大低于恒速机组，输出同等电能的情况下，噪声更低。直驱永磁同步发电机组还能够准确地控制功率因数，可以做到不吸收无功，甚至向电网输送无功，大大改善了系统的功率因数。
4 结论
直驱永磁同步发电机系统不需要使用齿轮箱及励磁线圈，使得发电机的维护成本降低、运行噪音减小、发电效率提升，使其逐渐被各大风力发电企业所亲睐，占据风力发电市场的大多数份额。直驱永磁同步发电机可以动态调整运行速度，可以适合更多风速区域的发电需求，由于我国大多数风力大点地域属于低风速发电区域，而直驱永磁同步发电机很适合在低风速地带使用，因此其很合适在我国推广使用，更适合使用直驱永磁同步发电机。此外，随着通用变频器技术成熟，使得变频器的生产成本大大降低，使得中小型直驱永磁同步发电机的设备成本也随之降低；大功率电力电子器件的性能不断完善，也大大促进了大型直驱永磁同步发电机的研发进度。直驱永磁同步发电机的上述优点使其必然成为未来风力发电的主力军，具有很好的发展前景。
参考文献:
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[2]王波，宋金梅. 基于最佳叶尖速比的最大风能跟踪在永磁直驱风力发电系统中的实现 [C]. 首届电测仪表学术发展方向研讨会, 徐州, 2009.
论文作者:侯阳
论文发表刊物:《电力设备》2017年第1期
论文发表时间:2017/3/9
标签：永磁论文; 发电机论文; 齿轮箱论文; 风速论文; 转子论文; 系统论文; 机组论文; 《电力设备》2017年第1期论文;