直驱式风力发电机组概述
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。
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。
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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）。
直驱式和双馈式风力发电机组介绍
双馈式与直驱式风力发电机组介绍1、双馈式发电机组双馈式风力发电机组的叶轮通过多级齿轮增速箱驱动发电机,主要结构包括风轮、传动装置、发电机、变流器系统、控制系统等。
双馈式风力发电机组系统将齿轮箱传输到发电机主轴的机械能转化为电能,通过发电机定子、转子传送给电网。
发电机定子绕组直接与电网连接,转子绕组与频率、幅值、相位都可以按照要求进行调节的变流器相连。
变流器控制电机在亚同步与超同步转速下都保持发电状态。
在超同步发电时,通过定转子两个通道同时向电网馈送能量,这时变流器将直流侧能量馈送回电网。
在亚同步发电时,通过定子向电网馈送能量、转子吸收能量产生制动力矩使电机工作在发电状态,变流系统双向馈电,故称双馈技术。
双馈风力发电变速恒频机组示意图变流器通过对双馈异步风力发电机的转子进行励磁,使得双馈发电机的定子侧输出电压的幅值、频率与相位与电网相同,并且可根据需要进行有功与无功的独立控制。
变流器控制双馈异步风力发电机实现并网,减小并网冲击电流对电机与电网造成的不利影响。
提供多种通信接口,用户可通过这些接口方便的实现变流器与系统控制器及风场远程监控系统的集成控制。
提供实时监控功能,用户可以实时监控风机变流器运行状态。
变流器采用三相电压型交-直-交双向变流器技术。
在发电机的转子侧变流器实现定子磁场定向矢量控制策略,电网侧变流器实现电网电压定向矢量控制策略;系统具有输入输出功率因数可调、自动软并网与最大功率点跟踪控制功能。
功率模块采用高开关频率的IGBT功率器件,保证良好的输出波形,改善双馈异步发电机的运行状态与输出电能质量。
这种电压型交-直-交变流器的双馈异步发电机励磁控制系统,实现了基于风机最大功率点跟踪的发电机有功与无功的解耦控制,就是目前双馈异步风力发电机组的一个代表方向。
2、直驱式发电机组直驱式风力发电机组的风轮直接驱动发电机,主要由风轮、传动装置、发电机、变流器、控制系统等组成。
为了提高低速发电机效率,直驱式风力发电机组采用大幅度增加极对数(一般极数提高到100左右)来提高风能利用率,采用全功率变流器实现风力发电机的调速。
双馈、直驱、半驱风力发电机工作原理
双馈、直驱、半驱风力发电机工作原理双馈、直驱和半驱风力发电机是目前常见的几种风力发电机构。
它们分别采用不同的工作原理来转换风能为电能，并在风力发电行业中得到广泛应用。
我们来了解一下双馈风力发电机的工作原理。
双馈风力发电机是一种采用异步发电机的结构，其转子由两部分组成：一个是固定子，另一个是转子。
风力通过叶片传递给转子，转子通过传动系统将机械能转化为电能。
在双馈风力发电机中，转子的定子通过拖动转子的磁场，使得风力发电机可以实现变频调速。
双馈风力发电机具有转矩平稳、响应速度快的优点，可以适应不同风速下的工作状态。
接下来，我们介绍一下直驱风力发电机的工作原理。
直驱风力发电机是一种采用永磁同步发电机的结构，其转子由永磁体构成。
风力通过叶片传递给转子，转子通过直接驱动发电机产生电能。
直驱风力发电机不需要传动系统，减少了能量转换的损失，提高了发电效率。
直驱风力发电机具有结构简单、体积小、维护成本低等优点，逐渐成为风力发电领域的主流技术。
我们来了解一下半驱动风力发电机的工作原理。
半驱动风力发电机是双馈风力发电机和直驱风力发电机的结合体，它采用了双馈发电机的转子结构和直驱发电机的永磁体。
风力通过叶片传递给转子，转子通过传动系统将机械能转化为电能。
半驱动风力发电机兼具双馈风力发电机和直驱风力发电机的优点，具有较高的发电效率和稳定性。
双馈、直驱和半驱风力发电机是目前常见的几种风力发电机构。
它们分别采用不同的工作原理来转换风能为电能，并在风力发电行业中发挥重要作用。
双馈风力发电机通过变频调速实现转矩平稳，响应速度快；直驱风力发电机通过永磁同步发电机实现高效发电；半驱动风力发电机兼具双馈和直驱的优点，具有较高的发电效率和稳定性。
随着风力发电技术的不断发展，这些风力发电机构将进一步完善和提升，为可持续能源的开发和利用做出更大贡献。
湘电风能直驱式永磁单轴承大功率发电机组简介
技术来源 —— 创新提高 建设国家级风电成套装备总装基地
投入 4 亿元建设风机总装基地。在湘潭 高 新 区购买 250 余亩地， 2007 年 10 月 底，完成总装车间及研发大楼建设，投入 使用 2008年完成福建分公司总装车间并已投 入使用
建设国家级风力发电机制造基地
投入 2.7 亿元建设直驱永磁风力发电机 制造基地，新建厂房20,000平方米。 2007 年年 3 月底完成主体工程建设， 2008年8月全部竣工，投入使用 2009年建设直驱永磁风力发电机制造基 地（二期）
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机型选择 —— 原理与规则
湘电XE-2MW系列风机采用的沿海及海上技术
提高极限生存能力，可抗７０m/s的台风。 风机内部通风采用正压过滤技术。 发电机采用单轴承迷宫设计，旋转部分只有一条缝隙。 风机表面采取防腐蚀、防盐雾 、防潮处理。 电气元器件采取防护处理。 机组已经过荷兰鹿特丹、台湾、日本北海道（其中Z82型2 台）等沿海地区的实际运行，通过了长时间沿海风场考验，并 已承接了３３台韩国海上风场的订单，完全能够适用于沿海和 海上风电场环境使用要求；
技术来源 —— 技术引进 公司采用Zephyros(原Lagerwey)的成熟技术
荷兰Lagerwey公司成立于80年代，是世界上最早从事兆瓦级 风机研发和制造的公司之一。 前期从事250kW、带增速齿轮箱风机的开发与生产，在日本和 欧洲安装了300多台。在运行中，发现增速齿轮箱的故障率 高，从而在后续成功的开发出750kW直驱式风力发电机组，并 在日本和欧洲安装了二百多台，运行的可靠性较传统风机有了 质的飞跃 2000年，为开发2MW直驱式风机，公司重组为Zephyros公 司，并于当年在荷兰鹿特丹安装了第一台样机，成功实现并网 运行 2005 年 原 弘 产 株 式 会社 (Harakosan) 挑 战 美国 GE等 5家 公 司，成功收购Zephyros公司， 2MW直驱式风机至今在日本、 欧洲和中国台湾、福建、内蒙已成功安装了74+110台该型机 组，运行情况良好，得到了业内高度评价 2007年荷兰Enercon集团成功获得Zephyros公司直驱式海上 风机研发权，并启动设计5MW直驱式海上风机
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。
直驱永磁风力发电系统概述_1352537_张昌鸣
直驱永磁风力发电系统概述摘要：在直驱永磁发电系统中，风速影响输出电压的幅值和频率，不能直接并网。
本文概述了一种控制方法，通过对逆变器的控制实现输出电压对电网电压的跟踪，达到并网要求；基于最大风能追踪控制原理，通过对变频器的调节控制改变风机转速，实现风力机最佳效率运行。
本文也简单讨论了风能的应用范围、经济性及未来发展前景。
关键词：风力发电；直驱永磁发电机；最大风能捕获；风能的应用和发展0引言可再生能源的开发和利用从七十年代开始进入飞速发展时期。
一是上世纪七十年代的石油危机后，经济和能源压力迫使人们寻找关于能源的新的解决途径，二是近十几年来基于化石燃料的传统能源体系引发的环境问题愈发严重，寻找新能源不仅关乎经济和能源需求，更关系着未来人类社会的前进方向。
如煤炭、石油、天然气等传统能源之所以能较早被作为能源广泛使用，一方面是储量相对丰富，更重要的原因是能源使用过程中输出稳定可靠，且较容易由一种能量形式（如热）转化成另一种能量形式（如电）而进行广泛传输。
而如今的新能源面临的最大问题就是能量的转化难、不可控、不稳定，因此新能源利用的关键之一就是采用更加精准的控制手段，提升能量利用效率。
本文试以较为常见的风能发电为例，简单阐述新能源应用中控制系统的作用。
1风力发电机控制系统目前存在的风力发电机组有恒速恒频和变速恒频两种类型。
恒速恒频风力发电机组无法有效地利用不同风速时的风能，而变速恒频风力发电机组可以在很大的风速范围内工作，更有效地利用风能，其中应用比较广泛的技术之一是直驱永磁风力发电系统。
根据最大风能追踪控制原理，当风力机浆叶不变时，对于一个特定的风速v，风力机只有运行在一个特定的转速ωm 下才会有最高的风能转换效率，要想追踪最大限度地获得风能，就必须在风速变化时及时调节风轮机的转速n（在直驱永磁风力发电系统中，即为发电机的转速），这就是变速恒频发电技术的主要思想。
通过变速恒频发电技术，理论上可以使风力发电机组在输出功率低于额定功率之前，输出最佳功率，效率最高。
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把右定子固定在右端盖中，左右端盖扣紧固定， 发电机就组装好了，下图为发电机外观图。
下图为中间转子盘式永磁发电机的剖面图
下图为侧视的剖面图。
观看中间转子盘式永磁发电机剖面旋转动画 请到以下网址： /v_show/id_XMTM2Nzg3 NDQw.html 或 /programs/view/3qQsA vxrcRc/
安装上左右端盖，下图为组装好的永磁中间 定子盘式发电机。
下图为永磁中间定子盘式发电机的剖面图。
下图为侧视的剖面图，为看清内部结构隐藏 了右转子。
直驱永磁中间转子盘式 风力发电机结构
盘式永磁直驱式风力发电机的定子与转子都 呈平面圆盘结构，定子与转子轴向交替排列， 这里介绍中间转子盘式发电机。下图是一个 盘式定子，由于盘式发电机的通过定子绕组 的磁力线是轴向走向，在电机旋转时是绕轴 运行的，所以定子的硅钢片是绕制的，在一 侧有绕组的嵌线槽。
观看中间定子直驱式风力发电 机动画请到以下网址： /program s/view/0tGR1c-LhDg/=
直驱式外转子永磁风力 发电机结构
外转子电机的特点是定子在靠轴中间不动， 转子在外围旋转。在下图中展示了内定子的 构造，内定子由硅钢片叠成，与常见的外定 子相反，其圈槽是开在铁芯圆周的外侧。
按多极发电机的原理，磁极的布置如下图
从另一侧看外转子
把外转子转轴安装在定子机座的轴承上
这是安装好的整机外观图
在实际风力机制造中往往把外转子磁軛 直接与风轮轮毂（包括轮毂外罩）制成 一体，使结构更紧凑。
直驱永磁中间定子盘式 风力发电机结构
直驱永磁盘式风力发电机的定子与转子都呈平 面圆盘结构，定子与转子轴向交替排列，这里 介绍中间定子盘式发电机。下图是一个盘式定 子。由于盘式发电机通过定子绕组的的磁力线 是轴向走向，在电机旋转时是绕轴运行的，所 以定子的硅钢片是绕制的，在两侧有绕组的嵌 线槽。
在定子线槽内分布着定子绕组，按三相布置 连接。
定子铁芯固定在机座的支架上
盘式转子由磁軛与永久磁铁组成，下图为左 面转子图
下图为磁极的分布图
右面转子结构与左面转子结构相同，只是反个面而 已。下图为左右转子间的磁力线走向图。
为更清楚的看清磁力线走向，下图为稍侧面 的磁力线走向图。
把转子与定子摆在一起
盘式永磁直驱式风力发电机的定子与转子都 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，本栏 有对中间转子与中间定子直驱式风力发电机 的专门介绍，下图是一个中间定子直驱式风 力发电机组的结构示意图。
还有一种半直驱发电机，结构也有上述几种， 只不过极数没那么多而已，还需使用齿轮箱进 行少量增速，由于极数较少的发电机与增速不 大的低速齿轮箱制造维护都较方便，成本相对 低廉，故采用半直驱发电机加低速齿轮箱也是 一种折中的方案。
Enercon公司E-112风力发电机的吊 装图片
据报道目前最大的风力发电机为Enercon公 司E-126直驱式风力发电机，功率为7MW， 为使科技爱好者能一睹这当今最大的风力发 电机的风采，从网上找到一组Enercon公司 E-112直驱式风力机的吊装图，E-112风力机 功率为6MW，虽不是最大的E-126，但E-126 仅是E-112的改进型，外观结构一样。该组照 片是2006年9月份拍摄的。
使用齿轮箱会降低风力机效率，齿轮箱是易损 件，特别大功率高速齿轮箱磨损厉害、在风力 机塔顶环境下维护保养都较困难。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。近些年直驱式风力发电机 已从小型风力发电机向大型风力发电机应用发 展，国内具有自主知识产权的2MW永磁直驱风 力发电机已研制成功，据报道目前国外最大的 风力发电机组已达7MW，是直驱式发电机组。
在永磁直驱式风力发电机的结构上还有一个重要的 特点，那就是绕组的槽数与磁极数不成整数关系， 这是因为当所有磁极与槽数整齐对应时，磁力线有 最短磁路，转子与定子间的强大吸引力会使发电机 起动非常困难。所以起动阻力矩也就成了永磁发电 机的重要参数，采用分数槽设计就可以较好的减小 起动阻力矩。另外分数槽设计还可以在同数目磁极 下减少线槽数，降低制造难度。如何选好永磁发电 机的极数与槽数是目前正在研究中的新技术，方案 也很多，本栏目就不作介绍了，在以下几种永磁直 驱式发电机的结构示例中仍采用整数槽。
在定子线槽内分布着定子绕组，按三相布置，单个 绕组呈扇形状。
定子有两个，右定子与左定子结构一样，只 是反个面而已。
转子由永久磁铁组成，磁铁固定在非导磁材 料制成的转子支架上，下图是转子的结构图。
每块磁铁的磁极在转子的两面，
下图表示了磁力线在转子与定子间的走向，
下图是转子与定子的布置图
先把左定子固定在左端盖中，再装上转子，
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，风力 机用的直驱式发电机也有类似原理 构造，一种多极内转子结构，只是 要求在结构上更轻巧一些。
近些年高磁能永磁体技术发展很快，特别是稀土 永磁材料钕铁硼在直驱式发电机中得到广泛应用。 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向与盘 式结构两种，轴向结构又分为内转子、外转子等； 盘式结构又分为中间转子、中间定子、多盘式等； 还有开始流行的双凸极发电机与开关磁阻发电机。
风力机的塔架是20-30个工人用了8个月建成的
先安装完毕1250吨重的吊车
机舱高17米，不带叶片重约250吨
工人对机舱内部进行安装
吊装机舱
吊装直驱发电机
吊装叶片
电下运 机图行 的是中 照运的 片行 中 的 风 力 发 风电 力机 发 E-112
E-126
直驱式风力发电机组概述
二极三相交流发电机转速约每分钟3000转， 四极三相交流发电机转速约每分钟1500转， 而风力机转速较低，小型风力机转速约每 分钟最多几百转，大中型风力机转速约每 分钟几十转甚至十几转，必须通过齿轮箱 增速才能带动发电机以额定转速旋转。下 图是一台采用齿轮箱增速的水平轴风力发 电机组的结构示意图。
内定子铁芯通过定子的支撑体固定在底 座上，在底座上有转子轴承孔用来安装 外转子的转轴。
在定子铁芯的槽内嵌放着定子绕组，绕组是 按三相规律分布，与外定子绕组类似。
外转子如同一个桶套在定子外侧，由导磁良 好的铁质材料制成，在“桶”的内侧固定有 永久磁铁做成的磁极，这种结构的优点是磁 极固定较容易，不会因为离心力而脱落。
下图是一个内转子直驱式风力发电机组的结构 示意图。其定子与普通三相交流发电机类似， 转子由多个永久磁铁构成。
外转子永磁直驱式风力发电机的发电绕组在 内定子上，绕组与普通三相交流发电机类似； 转子在定子外侧，由多个永久磁铁与外磁軛 构成，外转子与风轮轮毂安装成一体，一同 旋转。本栏有对外转子直驱式风力发电机的 专门介绍，下图是一个外转子直驱式风力发 电机组的结构示意图。