直驱型风力发电机组
直驱式永磁同步风力发电机概述
直驱式永磁同步风力发电机概述永磁同步发电机是一种以永磁体进行励磁的同步电机，应用于风力发电系统，称为永磁同步风力发电机。
永磁同步风力发电机一般不用齿轮箱，而将风力机主轴与低速多极同步发电机直接连接，为“直驱式”，所以称为直驱式永磁同步风力发电机，以下本章除特指外均简称为永磁同步发电机。
一、永磁同步发电机的特点1.与传统电励磁同步发电机比较同步发电机是一种应用广泛的交流电机，其显著特点是转子转速n与定子电流频率f之间具有固定不变的关系，即n=n0=60f/p，其中n为同步转速，p为极对数。
现代社会中使用的交流电能几乎全部由同步发电机产生。
永磁同步发电机是一种结构特殊的同步发电机，它与传统的电励磁同步发电机的主要区别在于：其主磁场由永磁体产生，而不是由励磁绕组产生。
与普通同步发电机相比，永磁同步发电机具有以下特点：（1）省去了励磁绕组、磁极铁芯和电刷-集电环结构，结构简单紧凑，可靠性高，免维护。
（2）不需要励磁电源，没有励磁绕组损耗，效率高。
（3）采用稀土永磁材料励磁，气隙磁密较高，功率密度高，体积小，质量轻。
（4）直轴电枢反应电抗小，因而固有电压调整率比电励磁同步发电机小。
（5）永磁磁场难以调节，因此永磁同步发电机制成后难以通过调节励磁的方法调节输出电压和无功功率（普通同步发电机可以通过调节励磁电流方便地调节输出电压和无功功率）。
（6）永磁同步发电机通常采用钕铁硼或铁氧体永磁，永磁体的温度系数较高，输出电压随环境温度的变化而变化，导致输出电压偏离额定电压，且难以调节。
（7）永磁体存在退磁的可能。
目前，永磁同步发电机的应用领域非常广泛，如航空航天用主发电机、大型火电站用副励磁机、风力发电、余热发电、移动式电源、备用电源、车用发电机等都广泛使用各种类型的永磁同步发电机，永磁同步发电机在很多应用场合有逐步代替电励磁同步发电机的趋势。
2.与非直驱式双馈风力发电机比较虽然双馈风力发电机是目前应用最广泛的机型，但随着风力发电机组单机容量的增大，双馈型风力发电系统中齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出，于是不用齿轮箱而将风力机主轴与低速多极同步发电机直接连接的直驱式布局应运而生。
永磁直驱风力发电机结构
永磁直驱风力发电机结构：永磁直驱风力发电机的结构主要包括风轮、永磁同步发电机、机架及偏航系统、主控系统、变流器、空－空循环冷却系统、液压系统、润滑系统、变压器、中央监控系统、塔架和机舱等部分。
风轮是永磁风力发电机的核心部件，也是最直接受到风能作用的部分。
它由多个叶片组成，通过风力的作用使得风轮旋转。
风轮通常采用可调角度的叶片设计，以便在不同风速下获得最高效率的转动。
发电机通过法兰与风轮直接相连，省去了影响风机可靠性的最薄弱环节———齿轮箱，以及主轴系统、联轴器等传动部件。
风轮与发电机转子直联，简化了结构，缩短了传动链，最大限度地提高了机组的可靠性和传动效率。
机架和偏航系统支持整个发电机组的运行，并能根据风向的变化自动调整机舱的角度，以保证风轮始终对准风向，提高发电效率。
主控系统负责整个发电机组的运行控制，包括启动、停机、偏航、故障保护等功能。
变流器将发电机产生的电能转换为符合电网要求的电能，空－空循环冷却系统则负责冷却发电机和变流器等发热部件。
液压系统和润滑系统则分别提供机组运行所需的液压动力和润滑。
此外，永磁直驱风力发电机还包括变压器、中央监控系统、塔架和机舱等部分。
变压器将发电机产生的电能升压后送入电网，中央监控系统则负责监控整个发电机组的运行状态和性能。
塔架和机舱则构成了发电机组的支撑结构和运行环境。
直驱式风力发电机简介
直驱风力发电机简介
•齿轮箱增速的水平轴风力发电机组
•不用齿轮箱用风力机浆叶直接带动发电机旋转发电是可行的，这必须采用专用的低转速发电机，称之为直驱式风力发电机。
•低转速发电机都是多极结构，水轮发电机就是低速多极发电机，目前风力机用的直驱式发电机主要采用多极构造，有多极内转子结构与多极外转子结构等，只是要求在结构上更轻巧一些。
•采用永磁体技术的直驱式发电机结构简单、效率高。
永磁直驱式发电机在结构上主要有轴式结构与盘式结构两种，轴式结构的磁场方向为径向气隙磁通，又分为内转子、外转子等；盘式结构的磁场方向为轴向气隙磁通，又分为中间转子、中间定子、多盘式等；
内转子永磁直驱式风力发电机
外转子永磁直驱式风力发电机
盘式永磁直驱式风力发电机
内转子永磁直驱式风力发电机
外转子永磁直驱式风力发电机的发电绕组外转子电机的特点是定子固定在靠轴中间位置不动，转子在定子的外围旋转，也属径向气隙磁通结构，与内转子结构相比是转子与定子换了个位置。
盘式永磁直驱式风力发电机
定子与转子都呈平面圆盘结构，定子与转子轴向排列，有中间转子、中间定子、多盘式等结构。
直驱风力发电机
主要零部件
变距系统设计方案 • 驱动装置： 采用三个相互独立的变 频调速电机传动机构。 • 后备储能单元： 采用大容量电容， 免维护，可靠性高。 • 传动方式： 同步齿型带，免维护， 成本低。
主要零部件
机舱底座
主要零部件
轮毂
永磁电机效率对比
1.2MW永磁直接驱动风机功率曲线
发 电 量 对 比
成本问题
由于稀土永磁材料目前的价格还比较贵，稀土永磁 发电机的成本一般比电励磁式发电机高，但这个成会在 电机高性能和运行中得到较好的补偿。在今后的设计中 会根据具体使用的场合和要求，进行性能、价格的比较， 并进行结构的创新和设计的优化，以降低制造成本。 无可否认，现正在开发的产品成本价格比目前通用 的发电机略高，但是我们相信，随着产品更进一步的完 美，成本问题会得到很好的解决。美国DELPHI（德尔 福）公司的技术部负责人认为：“顾客注重的是每公斤 瓦特上的成本。”他的这一说法充分说明了交流永磁发 电机的市场前景不会被成本问题困扰。
•
因此，必须建立新的设计概念，重新分析和改进磁 路结构和控制系统；必须应用现代设计方法，研究新的分 析计算方法，以提高设计计算的准确度；必须研究采用先 进的测试方法和制造工艺。
永磁材料的技术性能与退磁曲线的形状, 对电机的性 能、外形尺寸、运行可靠性等有很大的影响,是设计与制 造永磁电机时需要考虑的十分重要的参数。对于不同的情 况, 不同的场合, 应采用不同的结构形式和永磁材料。图 给出这几种永磁材料的退磁曲线(还受温度影响）。
直驱型风力发电机的优越性和特点
直驱型风力发电机的优越性先进性没有了齿轮箱的整个机组，不仅降低了成本，减轻了整机重量，同时避免了齿轮箱过热、噪音大等缺陷，大大降低了故障率。
经济性发电机采用永磁式，提高了发电机的输出电压，减少了在传输过程中的线损，节省了箱变的费用。
通过对风机机组的零部件的优化设计、计算及检验，能够大幅度的延长整机的工作寿命。
安全性合理的机舱提升机设计安装在机舱内部，避免了工作人员直接与机舱尾部的窗口接触，扩大了活动空间，大大提高了安全性能。
在整机零部件之间加入防雷保护系统，可以很好的避免雷雨天气对风机的损坏，并在设计过程中全方位的考虑了天气的变化对机组的影响；塔筒之间采用高强度的螺栓连接，保证了塔筒的稳定性。
可靠性产品在研发和生产过程中，进行了全方位的认证工作，与国内多家知名认证公司保持着长期联系，并达成一致，为我们生产的直驱型风力发电机组进行全面的认证工作，包括设计认证、型式认证等。
完善的售后服务体系在安装过程中，我们有大量的技术人员会进行全程跟踪指导，建立客户档案，定期进行交流，经常保持与客户的联系，及时解决客户遇到的问题和困难。
我们的所有部件的采购都是选择著名且已获认证的供货商，保证了所有的零部件的高质量、高性能，能够满足广大用户的需求；同时我们有专业的研究开发人员，能够为用户提供详细的技术指导。
直驱型风力发电机的主要特点直驱永磁风力发电机组取消了沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到叶轮轴上，转子的转速随风速而改变，其交流电频率也随之变化。
，经过置于地面的大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。
国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机，多沿用低速多极永磁发电机，并使用一台全功率变频器将频率变化的风电送入电网。
直接驱动式风力发电机组由于没有齿轮箱，零部件数量相对传统风电机组要少得多。
其主要部件包括：叶轮叶片、轮毂、变桨系统、发电机转子、发电机定子、偏航系统、测风系统、底板、塔架。
直驱风力发电机分析
主要零部件
变距系统设计方案
• 驱动装置： 采用三个相互独立的变 频调速电机传动机构。
• 后备储能单元： 采用大容量电容， 免维护，可靠性高。
• 传动方式： 同步齿型带，免维护， 成本低。
主要零部件
机舱底座
主要零部件
轮毂
永磁电机效率对比
1.2MW永磁直接驱动风机功率曲线
发电 量 对 比
MW永磁直驱发电机特点
零部件
• 定子支架
轴 加 工 完 的 定 子 支 架
多极永磁发电机发电系统
变速恒频闭环控制模型
风
发电机
转速
测量
转速
传感器 转速
风机
控制器
叶片 桨距
发电机 转矩需求
桨距执 桨距 行机构 需求
需求 转矩 转速
变流系统原理框图
1
MA
~~
永磁 发电机
2 B
三相 整流
3
=C =
升降 压
4
=D 逆变~~~
小带来的好处就是重量轻，易于运输。
直接驱动永磁发电机
磁钢Leabharlann 铁心绕组风
无需励磁能量
长寿命的低速发电机 高效 抗环境侵蚀和腐蚀保护
外转子发电机,利于磁钢散热 自然空气冷却,大的外表面， 利于散热不必使用强迫风冷
冷却风道 定子
转子
直接驱动风力发电机组 — 结构形式及工作原理
径向永磁电机结构
轴向永磁电机结构
变流器
5 E
滤波 器
6
变压 器
7 F
电网
•
多极永磁发电机型风力发电系统结构如图所示。风力
机与发电机直接相连,风力机采用变桨距功率控制方式实
直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略
直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略一、本文概述随着全球能源需求的持续增长和环境保护的日益紧迫，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，正受到越来越多的关注。
直驱式永磁同步风力发电机（Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Wind Turbine Generator, DDPMSG）作为一种新型风力发电技术，以其高效率、高可靠性以及低维护成本等优点，逐渐成为风力发电领域的研究热点。
本文旨在对直驱式永磁同步风力发电机组的建模及其控制策略进行深入研究。
文章将介绍直驱式永磁同步风力发电机的基本结构和工作原理，为后续建模和控制策略的研究奠定基础。
接着，文章将详细阐述直驱式永磁同步风力发电机组的数学建模过程，包括机械部分、电气部分以及控制系统的数学模型，为后续控制策略的设计提供理论支持。
在控制策略方面，本文将重点研究直驱式永磁同步风力发电机组的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）控制和电网接入控制。
最大功率点跟踪控制旨在通过调整发电机组的运行参数，使风力发电机组在不同风速下都能保持最佳运行状态，从而最大化风能利用率。
电网接入控制则关注于如何确保发电机组在并网和孤岛运行模式下的稳定运行，以及如何在电网故障时实现安全可靠的解列。
本文还将探讨直驱式永磁同步风力发电机组的控制策略优化问题，以提高发电机组的运行效率和稳定性。
通过对控制策略进行优化设计，可以进一步减少风力发电机组的能量损失，提高风电场的整体经济效益。
本文将对直驱式永磁同步风力发电机组的建模及其控制策略进行总结，并展望未来的研究方向和应用前景。
通过本文的研究，可以为直驱式永磁同步风力发电机组的实际应用提供理论指导和技术支持，推动风力发电技术的持续发展和优化。
二、直驱式永磁同步风力发电机组的基本原理直驱式永磁同步风力发电机组（Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Wind Turbine Generator，简称DD-PMSG）是一种将风能直接转换为电能的装置，其基本原理基于风力驱动、机械传动、电磁感应和电力电子控制等多个方面。
直驱式风力发电机
直驱式风力发电机目录1概述2机组特点1概述直驱式风力发电机（Direct-driven Wind Turbine Generators），是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。
由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。
直驱式（无齿轮）风力发电机始于20多年前，由于电气技术和成本等原因，发展较慢。
随着近几年技术的发展，其优势才逐渐凸现。
德国、美国、丹麦都是在该技术领域发展较为领先的国家，其中德国西门子公司开发的（直驱式）无齿轮同步发电机安装在世界最大的挪威风力发电场，最高效率达98%。
1997年的风机市场上出现了兼具无齿轮、变速变桨距等特征的风力发电机,这些高产能、运行维护成本低的先进机型有E-33、E-48、E-70等型号，容量从330千瓦至2兆瓦，由德国ENERCONGmbH公司制造，它们的研制始于1992年。
2000年，瑞典ABB公司成功研制了3兆瓦的巨型可变速风力发电机组，其中包括永磁式转子结构的高压风力发电机Wind former，容量3兆瓦、高约70米、风扇直径约90米。
2003年，在Okinawa电力公司开始运行的MWT-S2000型风力发电机，是日本三菱重工首度完全自行制造的2兆瓦级风机，采用小尺寸的变速无齿轮永磁同步电机，新型轻质叶片。
目前，国内多家企业也开始进军直驱式风力发电机领域，湘潭电机集团与日本原弘产株式会社合资组建的湖南湘电风能有限公司，2兆瓦直驱式永磁风力发电整机机组已试车成功；广西银河艾万迪斯风力发电有限公司与德国AVAVTIS公司联合推出的2.5兆瓦直驱变桨风力发电也将于2008年二季度完成样机；具有自主知识产权的新疆金凤科技股份公司、哈尔滨九州电气公司也分别研制出1.5兆瓦直驱式风力发电机。
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08年 广西 银河艾万迪斯 与德国AVAVTIS
2．5MW 变桨矩
1.2我国直驱型风力収电机组制造企业
大致分为四类：
产业化水平高 具备大批量生 产能力 产业化水平较 高 具备小批量生 产能力 东斱电气 内蒙古航天万源
新疆金风科技 湖南湘电
产品样机 投入运行试验 产业化 正在落实 哈尔滨风电设备 广西银河艾万迪斯 江苏新誉 山并网的技术来源
大致分为四类：
1 2 3 4
国外 设计 合资 技术 大学和公司 外企 技术 联合设计 国内 生产 国内 生产 国内 生产 国内 生产
金风科技与德国 Vinces 1.5MW 湘电风能 2.5MW 上海万德 1.5MW
荷兰联合能源 1.6MW
2.分类及结构
电励磁式 直驱型 风力収电机 永磁式
工作原理:与水轮収电 机相同。
轴向结构
水平轴
内转子 外转子 中间定子
近年来研収的技术，用 永磁材料替代电励磁系 统，结构简单。
盘式结构
垂直轴
中间转子 多盘式
2.3结构
内转子直驱型永磁风力収电机
外转子直驱型永磁风力収电机
盘式直驱型永磁风力収电机
2.2直驱永磁风力収电机组特点
无齿轮箱
承受全部
冲击载荷
极数多 结构复杂 体积庞大 永磁材料存在不确定因素
2.3与双馈式风机比较
3.1収展前景
海上
首选机型之一
3.2存在问题
成本问题
不可逆退 磁问题
控制问题
稀土
电枢反应 机械振动
磁场自维 持
直驱型风力収电机
直驱永磁式风力収电机
目录
1.概况
无齿轮箱 变桨距变速
采用全功 率变流技术
采用多极収 电机与风轮直 接连接驱动
1.1収展
93年 德国 埃纳康
97年 市场
00年 瑞典 ABB 3MW 可变速
03年 日本 三菱重工 永磁
04年 德国 西门子 收购丹麦 柏纳斯
06年 新疆 金凤科技 与德国 Vensys