大功率直驱式变速恒频风力发电技术综述
包广清1，施进浩2，江建中3
（1兰州理工大学，陕西兰州730050；2中国电子科技集团公司第21研究所，上海200233；3．上海大学，上海200072）
摘要：采用无齿轮箱的直驱式风力发电系统已成为大功率风电机组的主导技术之一。传统风电系统的齿轮传动装置不仅降低了风电转换效率，产生噪声污染，更成为发生机械故障的主要原因之一，同时为减少机械磨损，还需要润滑清洗等定期维护。直驱式风电机组虽然增加了电机的设计成本，但却有效提高了系统效率及运行可靠性。在对大功率直驱式风电机组发电机及其功率控制进行对比、分析的基础上，指出今后的发展方向。
关键词：风力发电；永磁同步发电机；功率变换器；变速恒频
中图分类号. TM341；TM315 文献标识码：A 文章编号：1004 -7018（2008）9 -0052 -04
0引 言
随着人类社会的发展，能源与环境问题已成为全球可持续发展所面临的主要问题，风力发电以其无污染和可再生性，日益受到世界各国的重视，并保持增长最快的能源地位。近年来，风电技术取得了突飞猛进的发展。单机容量不断提高，兆瓦级风电机组实现商品化；风力机的变桨距功率调节取代了走桨距调节，发电机的变速恒频运行取代了传统的恒速恒频运行，系统效率进一步提高；实现了风电场的实时监控、远程测控及计算机群控，提高了分布或并网运行的稳定性和电能质量。
在风力发电系统的机电能量转换过程中，发电机及其控制系统具有十分关键的作用，它不仅直接影响整个系统的性能、效率和供电质量，而且也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。因此，研究适合于风电转换的运行可靠、效率高、控制简单及供电性能良好的发电系统具有重要的理论意义和应用价值。目前，风电机组朝着高可靠性、低维护量、少组件、低成本、高集成度方向发展，传统风电机组中齿轮箱的存在成为制约其进一步发展的重要因素之一。上世纪末，许多欧洲国家开展了无齿轮箱的直驱式风电机组研究，其市场份额迅速扩大，德国在2004年安装的风电机组中就有百分之40.9采用了无齿轮箱系统。直驱式风电系统通过将风力机与发电机转子直接耦合，机组性能得到改善：
(1)由于省去了齿轮箱，没有传动磨损和漏油所造成的机械故障，减少了机组维护，降低了噪声污染，提高了机组的可靠性和使用寿命。
(2)取消了齿轮箱传动轴，机组水平方向长度大大缩短，增加机组稳定性。
(3)直驱式永磁风力发屯系统不需要电励磁装置，提高了发电效率，具有重量轻、可靠性好等优点。
本文从发电机的性能、设计、可控性及功率控制等方面，对不同类型的多极永磁同步电动机在直驱式风电领域的应用进行分析比较，并介绍了相关的发电控制技术。可以相信，随着电力半导体器件和铁磁材料的发展，在直驱式风力发电系统中，占成本比例相对较高的功率变换器和发电机，其性价比不断提高，这种省去齿轮箱的直驱式风电系统将成为今后大功率风力发电的主要发展方向。
l直驱式风力发电系统结构
图1是以永磁发电机和全功率变换器为核心的直驱式风力发电系统拓扑。由于采用永磁体励磁，发电机不必从电网或发电机侧变流器得到无功功率；中间直流环节的存在，发电机与电力系统没有无功能量交换；根据风能变化，通过变速恒频控制优化系统输出功率；网侧变流器可以改善功率因数，并在一定范围调节输出电压。
根据发电机结构的不同，直驱式风电系统有内转子型和外转子型两种拓扑：内转子型是一种常规发电机形式，风力机和永磁体内转子同轴安装：这种结构的发电机定子绕组和铁心通风散热好，温度低，定子外形尺寸小；外转子型是风力机与发电机的永磁体外转予直接耦合，定子电枢安装在静止轴上。这种结构易于永磁体安装固定，缺点是对电枢铁心和绕组通风冷却不利，永磁体转子直径大，不易密封防护。
2直驱式风力发电机
根据发电机中主磁通方向的不同，可以把发电机分成径向磁通电机、轴向磁通电机和横向磁通电机三大类。
2.1径向磁通发电机(RFPG)
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