張書博 朱曙光 陶定新 張根現(xiàn) 盧 靜

（中信重工機(jī)械股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

0 引言

在“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)施的背景下，新能源快速發(fā)展，可再生能源逐漸成為人們關(guān)注焦點(diǎn)。風(fēng)能成為發(fā)電能力成本較低的新選擇，并成為一種較有競(jìng)爭(zhēng)力的清潔能源發(fā)電方式［1］。自2004年以來(lái)，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的投入運(yùn)營(yíng)累計(jì)數(shù)量顯著增加，這是因?yàn)榇笮惋L(fēng)力發(fā)電機(jī)具有較高的輸出功率和較低的平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）。然而，在不影響大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)材料量（包括質(zhì)量、體積和建造成本）的前提下，對(duì)其進(jìn)行升級(jí)是非常具有挑戰(zhàn)性的。因此，大兆瓦、小體積的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的開發(fā)已經(jīng)成為目前行業(yè)內(nèi)的研究重點(diǎn)［2］。

在過(guò)去十年里，成功開發(fā)出各種風(fēng)力電機(jī)的電氣和機(jī)械轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，按照傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)劃分，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可分為3種類型。一是直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其傳動(dòng)系統(tǒng)的主軸直接連接到?jīng)]有齒輪箱的低速同步永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)上。二是齒輪箱傳動(dòng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其傳統(tǒng)系統(tǒng)由三級(jí)傳動(dòng)齒輪箱和耦合系統(tǒng)組成，并連接到一個(gè)高速雙饋發(fā)電機(jī)上。三是半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由一個(gè)一級(jí)變速齒輪箱或一個(gè)兩級(jí)變速齒輪箱連接到中速永磁的同步發(fā)電機(jī)上。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)從有齒輪箱結(jié)構(gòu)向無(wú)齒輪箱結(jié)構(gòu)方向發(fā)展［3］。因此，一些廠家生產(chǎn)的大兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（SG 8.0-167，Siemens、XE128-5MW，Darwind、Haliade-150-6MW，Alstom、V164-8.0，Vestas）采用的是直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)能提高能量產(chǎn)量及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的可用性和可靠性，但直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在重量大、成本高等缺點(diǎn)。因此，引入半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來(lái)降低傳動(dòng)比，可以實(shí)現(xiàn)高效率和輕質(zhì)量，避免直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)存在的缺陷［4］。

本項(xiàng)目主要開展對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展的研究。首先，分析不同傳動(dòng)結(jié)構(gòu)下大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，并進(jìn)行比較。其次，對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展前沿進(jìn)行分析。最后，結(jié)合分析給出結(jié)論。

1 不同傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)比分析

1.1 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)（低速發(fā)電機(jī)）

在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DDWT）中，發(fā)電機(jī)直接與轉(zhuǎn)子輪轂連接在一起，因此其以低轉(zhuǎn)速運(yùn)行。永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）和電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)（EESG）是常用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，二者的區(qū)別如下。首先，勵(lì)磁方式不同。PMSG 采用的是永磁體勵(lì)磁方式，EESG采用的是電勵(lì)磁方式。其次，抗擾性能不同。PMSG具有較好的抗擾性能，在風(fēng)速變化較大時(shí)能保持較穩(wěn)定的輸出功率，而EESG 的抗擾性能較差，容易受到外界干擾，從而導(dǎo)致輸出功率產(chǎn)生波動(dòng)。再次，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)不同。PMSG 的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)比EESG 要快，能更快地適應(yīng)風(fēng)速變化，從而提高風(fēng)機(jī)發(fā)電效率。最后，二者的成本和可靠性不同。PMSG 的制造成本較高，但無(wú)需電勵(lì)磁系統(tǒng)，具有較高的可靠性，而EESG 的制造成本較低，但需要電勵(lì)磁系統(tǒng)，可靠性較低［5］。

目前，PMSG 和EESG 都被廣泛用于大型DDWT中。盡管EESG 在高功率方面不如PMSG，但EESG的低制造成本使其具有較大的競(jìng)爭(zhēng)力。德國(guó)愛納康公司生產(chǎn)的Enercon E-1267.5 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的EESG結(jié)構(gòu)如圖1所示。

雖然EESG 的制造成本低，但PMSG 具有眾多優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)廠家依然傾向于設(shè)計(jì)生產(chǎn)PMSG，生產(chǎn)廠家有西門子、Adwen、GE、金風(fēng)科技、浙江運(yùn)達(dá)、上海電氣、東方電機(jī)等。以下對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)形式的PMSG進(jìn)行分析。

1.1.1 徑向磁通電機(jī)（RFPM）。RFPM 是目前市場(chǎng)上常用于DDWT 的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其制造工藝十分成熟。西門子公司在產(chǎn)品制造時(shí)多采用RFPM結(jié)構(gòu)，代表性產(chǎn)品有SWT 6.0-154（6 MW）、SWT 8.0-154（8 MW）。此外，GE 及金風(fēng)科技公司的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也為RFPM。RFPM 在可靠性和效率方面表現(xiàn)優(yōu)異，大多數(shù)RFPM 具有內(nèi)轉(zhuǎn)子。但也有研究者對(duì)2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)中具有外轉(zhuǎn)子的PMSG電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)［6］，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徑向磁通永磁電機(jī)

1.1.2 軸向磁通電機(jī)（AFPM）。AFPM 是一種新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，采用軸向磁通結(jié)構(gòu)，能在低風(fēng)速時(shí)輸出高效電能。目前，學(xué)術(shù)界對(duì)AFPM 結(jié)構(gòu)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究較多，對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究相對(duì)較少［7-8］。Vizireanu 等［9］對(duì)功率為2.7 MW 的AFPM 進(jìn)行研究，該發(fā)電機(jī)有1 個(gè)定子和2 個(gè)PM 轉(zhuǎn)子。為最大限度減輕機(jī)器的重量，尤其是支撐結(jié)構(gòu)的重量，Zhang 等［10］對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用的10 MW 無(wú)鐵芯AFPM 進(jìn)行研究。與RFPM 相比，在額定功率下，AFPM 的重量和軸向長(zhǎng)度相對(duì)較小，但AFPM 存在低扭矩質(zhì)量比、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定及難以維持大直徑的氣隙長(zhǎng)度等缺點(diǎn)［11］。綜上所述，AFPM發(fā)電機(jī)具有高效、低噪音、輕量化等優(yōu)點(diǎn)，適用于小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，而RFPM發(fā)電機(jī)具有高效、高轉(zhuǎn)矩、高起動(dòng)風(fēng)速等優(yōu)點(diǎn)，適用于大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。2009 年，Jeumont Industry 在法國(guó)Widehem 風(fēng)電場(chǎng)成功安裝了第一臺(tái)軸向磁通永磁電機(jī)J48/750（0.75 MW）樣機(jī)［12］，如圖3所示。由圖3可以看出，該風(fēng)機(jī)沒有體積龐大的齒輪箱，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸向長(zhǎng)度大大減少。

圖3 Jeumont Industry的J48/750風(fēng)機(jī)

1.1.3 橫向磁通電機(jī)（TFPM）。TFPM 風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，與傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)不同的是，其采用的是橫向磁通結(jié)構(gòu)，能在低風(fēng)速產(chǎn)出高效的電能輸出。TFPM 具有高轉(zhuǎn)矩密度、較低的銅損、較為簡(jiǎn)單的繞組結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，適用于直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)［13］。與傳統(tǒng)電機(jī)結(jié)構(gòu)相比，TFPM 的磁通流通路徑為三維，因此其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。Bang等［14］設(shè)計(jì)出一種輕型10 MW 橫向磁通永磁電機(jī)，與RFPM 相比，該發(fā)電機(jī)的質(zhì)量減少60%。顏建虎等［15］提出一種新型聚磁式橫向磁通盤式永磁發(fā)電機(jī)，其定子鐵芯沿徑向有交錯(cuò)的內(nèi)外齒，并將永磁體嵌入轉(zhuǎn)子鐵芯中，能有效提高橫向磁通電機(jī)的空間利用率和氣隙磁密。此外，該發(fā)電機(jī)的定子鐵芯采用軟磁復(fù)合材料（SMC），能有效避免傳統(tǒng)硅鋼片無(wú)法三維導(dǎo)磁的問(wèn)題。電機(jī)設(shè)計(jì)模型如圖4 所示。

圖4 聚磁式橫向磁通永磁盤式風(fēng)力發(fā)電機(jī)

1.2 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)DFIG（高速風(fēng)力發(fā)電機(jī)）

DFIG 是一種常見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，也被稱為雙饋異步發(fā)電機(jī)，由轉(zhuǎn)子、定子、變頻器、電容器等組成。與傳統(tǒng)感應(yīng)發(fā)電機(jī)相比，DFIG 能在相對(duì)較高的滑差下工作。定子可直接連接到電網(wǎng)，而轉(zhuǎn)子通過(guò)部分比例轉(zhuǎn)換器連接到電網(wǎng)［16］。DFIG 的轉(zhuǎn)換效率較高，其將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的效率在90%以上。此外，DFIG 的穩(wěn)定性較好，可通過(guò)變頻器來(lái)控制輸出電能的頻率和電壓，從而保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性，減少對(duì)電網(wǎng)的影響。

2023年3月，三一重能公布一款9 MW 的雙饋海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了超大型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在海上應(yīng)用的技術(shù)突破。此前，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常不在超大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)（超過(guò)8 MW）中應(yīng)用［17］。盡管如此，因DFIG 使用齒輪箱和復(fù)雜的控制策略，與直接驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)相比，DFIG的工作效率較低。

1.3 半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（中速發(fā)電機(jī)）

半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，通過(guò)風(fēng)輪運(yùn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子，并直接傳遞給發(fā)電機(jī)。同時(shí)，通過(guò)減速器將旋轉(zhuǎn)速度降低到合適的范圍。在結(jié)構(gòu)上，半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)和直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，其將永磁電機(jī)與具有減少級(jí)數(shù)的齒輪箱耦合，能避開齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和無(wú)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)［18］。因此，與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相比，半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有更高的效率和更輕的質(zhì)量，從而被廣泛應(yīng)用于海上大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中。

與直接驅(qū)動(dòng)永磁風(fēng)力渦輪機(jī)相比，大型半直驅(qū)動(dòng)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的速度和功率密度得到顯著提高，其設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇，尤其是磁極結(jié)構(gòu)、極數(shù)和極槽配合的選擇，與直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)不同。歐金生等［19］以一臺(tái)3.2 MW 的半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，對(duì)主要尺寸、極數(shù)、極槽配合、磁極結(jié)構(gòu)及氣隙值等具體數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

2022 年12 月，全球最大的半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)（19 MW）順利完成總裝及并網(wǎng)調(diào)試，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)重大突破。永磁半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有價(jià)格適中、體積小、重量輕及可靠性高等優(yōu)勢(shì)，發(fā)展該種風(fēng)機(jī)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)行業(yè)目前重要的發(fā)展方向［20］。

2 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)發(fā)展方向

2.1 鐵氧體風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

PMSG 所需的PM 量與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的體積大小成正比、與機(jī)器速度成反比［21］。大型發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)，PMSG 比EESG 更具優(yōu)勢(shì)，但PMSG 所用到的材料為磁鋼，其價(jià)格波動(dòng)較大，非常不穩(wěn)定。中國(guó)是全球最大的稀土元素生產(chǎn)國(guó)，也是儲(chǔ)量最豐富的國(guó)家之一。由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的數(shù)據(jù)可知，中國(guó)稀土儲(chǔ)量占全球總儲(chǔ)量的38%，主要分布在內(nèi)蒙古、四川、廣東、云南等地。中國(guó)稀土元素的儲(chǔ)量和產(chǎn)量在全球稀土市場(chǎng)中占據(jù)重要地位，在全球稀土市場(chǎng)供需格局中有著舉足輕重的地位［22］。

雖然中國(guó)的稀土元素儲(chǔ)量較大，但從整個(gè)電機(jī)行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向來(lái)看，研發(fā)出無(wú)稀土發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案勢(shì)在必行，尤其是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。Bhuiyan等［23］基于DDWT結(jié)構(gòu)，僅用鐵氧體磁體就設(shè)計(jì)出6 MW 的PMSG，通過(guò)對(duì)1 臺(tái)安裝有釹鐵硼（NdFeB）的稀土發(fā)電機(jī)和1 臺(tái)安裝有鐵氧體磁體的發(fā)電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比（二者有相同定子）。試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然鐵氧體磁體的發(fā)電機(jī)更重，但這2 臺(tái)電機(jī)的發(fā)電量基本相同，損耗略有差異。因此，如果稀土價(jià)格持續(xù)上漲，鐵氧體永磁同步發(fā)電機(jī)將會(huì)有更大的發(fā)展空間。此外，Halbach 陣列可用于集中磁通，這是因?yàn)橐粋€(gè)磁極的磁通是由2 個(gè)磁體產(chǎn)生的，對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化為鐵氧體發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供新思路［24］。

2.2 高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（HTSG）

隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)有著較快發(fā)展。相較于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)，HTSG具有更高的能量密度、更輕的質(zhì)量和更小的體積等優(yōu)勢(shì)，可用于風(fēng)力、水力、光伏等新能源發(fā)電系統(tǒng)中，能提高發(fā)電系統(tǒng)的效率和可靠性。HTSG 的核心部件是高溫超導(dǎo)線圈，其具有非常高的電流密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，可在較小的體積內(nèi)產(chǎn)生更強(qiáng)磁場(chǎng)，從而提高發(fā)電機(jī)的輸出功率。此外，HTSG還具有低噪音、低振動(dòng)、無(wú)需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。雖然HTSG 還存在成本高、制造難度大等問(wèn)題，但其在新能源發(fā)電領(lǐng)域中的應(yīng)用前景仍然十分廣闊［25］。

鄧廣宇［26］對(duì)10 MW 高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究，并給出詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，相較于傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)，超導(dǎo)風(fēng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的故障電流及故障轉(zhuǎn)矩，同時(shí)，勵(lì)磁線圈會(huì)面臨失超的風(fēng)險(xiǎn)。采用電流源勵(lì)磁、鐵心定子磁路結(jié)構(gòu)及在合理范圍內(nèi)降低氣隙磁密、減少線圈匝數(shù)等方式，能有效抑制故障電流和故障轉(zhuǎn)矩。2018 年，第一臺(tái)高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在丹麥沿海地區(qū)成功安裝，此成果代表著風(fēng)力發(fā)電機(jī)高溫超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)突破，可替代當(dāng)今昂貴的重型永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)［27］。此外，隨著高溫超導(dǎo)材料技術(shù)的發(fā)展，以釔鋇銅氧化合物為代表的第二代高溫超導(dǎo)材料由于具有高臨界磁場(chǎng)、高臨界溫度、高電流密度等本征物理優(yōu)勢(shì)，因而對(duì)促進(jìn)超導(dǎo)電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義［28］。

3 結(jié)論

在過(guò)去的幾年，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了巨大突破。本研究通過(guò)對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中使用的不同發(fā)電機(jī)系統(tǒng)開展研究，對(duì)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)及半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。在此基礎(chǔ)上，展望風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，包括鐵氧體永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)及高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展。主要得到以下2個(gè)結(jié)論。

①直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)可靠、故障率低，但因成本過(guò)大，不適合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)盡管在超大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用上有了一定進(jìn)展，但能否適應(yīng)海上風(fēng)電的發(fā)展還有待進(jìn)一步觀察。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上可用于海上風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)路線仍以永磁半直驅(qū)為主。

②大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展方向較多，鐵氧體電機(jī)、高溫超導(dǎo)電機(jī)等前沿技術(shù)的研發(fā)，將進(jìn)一步促進(jìn)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展。