永磁直驅發電機滲透率提升2015-08-27

目前，雖然在整個風力發電系統中雙饋型風力發電系統仍占主流地位，但是直驅型發電機組憑借其明顯優勢獲得更廣泛的應用。

直驅型風力發電系統采用風輪直接驅動多極低速永磁同步發電機（pmsg）發電，然后通過功率變換電路將電能進行轉換后并入電網，省去了傳統雙饋式風力發電系統中故障率較高的齒輪箱這一部件，系統效率大為提高，有效地抑制了噪聲，提高了系統的運行可靠性，因而得到了市場青睞。

永磁直驅發電機與雙饋異步發電機的比較

永磁直驅電動機的組成部分：定子、永久磁鋼轉子、位置傳感器、電子換向開關等。

永磁直驅電動機的特點：結構簡單，體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率因數高等優點，主要用于要求響應快速、調速范圍寬、定位準確的高性能伺服傳動系統和直流電機的更新替代電機。

永磁直驅發電機按照永磁體結構分類：表面永磁同步電動機（SPMSM）、內置式永磁同步電動機（IPMSM）；按照定子繞組感應電勢波形分類：正弦波永磁同步電動機、無刷永磁直流電動機

永磁直驅發電機的原理：永磁同步電動機是正弦波永磁同步電動機，同一般同步電動機一樣，正弦波PMSM的定子繞組通常采用三相對稱的正弦分布繞組，或轉子采用特殊形狀的永磁體以確保氣隙磁密沿空間呈正弦分布。這樣，當電動機恒速運行時，定子三相繞組所感應的電勢則為正弦波，正弦波永磁同步電動機由此而得名。

正弦波PMSM是一種典型的機電一體化電機。它不僅包括電機本身，而且還涉及位置傳感器、電力電子變流器以及驅動電路等。

內置式永磁直驅電機無位置傳感器（interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM）矢量控制系統,通過將滑模觀測器和高頻電壓信號注入法相結合,在無位置傳感器IPMSM閉環矢量控制方式下平穩啟動運行，并能在低速和高速運行場合獲得較準確的轉子位置觀察信息。

永磁直驅電機的工作原理：同步發電機為了實現能量的轉換，需要有一個直流磁場。而產生這個磁場的直流電流，稱為發電機的勵磁電流。根據勵磁電流的供給方式，凡是從其它電源獲得勵磁電流的發電機，稱為他勵發電機，從發電機本身獲得勵磁電源的，則稱為自勵發電機。

永磁直驅電機的工作方式

一：發電機獲得勵磁電流的幾種方式

1直流發電機供電的勵磁方式

2交流勵磁機供電的勵磁方式

3無勵磁機的勵磁方式

二：永磁直驅發電機的特性

1、電壓的調節

2、無功功率的調節：

3、無功負荷的分配：

獲得勵磁電流的方法稱為勵磁方式。目前采用的勵磁方式分為兩大類：一類是用直流發電機作為勵磁電源的直流勵磁機勵磁系統；另一類是用硅整流裝置將交流轉化成直流后供給勵磁的整流器勵磁系統。現說明如下：

1 直流勵磁機勵磁 直流勵磁機通常與同步發電機同軸，采用并勵或者他勵接法。采用他勵接法時，勵磁機的勵磁電流由另一臺被稱為副勵磁機的同軸的直流發電機供給。

2 靜止整流器勵磁 同一軸上有三臺交流發電機，即主發電機、交流主勵磁機和交流副勵磁機。副勵磁機的勵磁電流開始時由外部直流電源提供，待電壓建立起來后再轉為自勵(有時采用發電機)。副勵磁機的輸出電流經過靜止晶閘管整流器整流后供給主勵磁機，而主勵磁機的交流輸出電流經過靜止的三相橋式硅整流器整流后供給主發電機的勵磁繞組。

3 旋轉整流器勵磁 靜止整流器的直流輸出必須經過電刷和集電環才能輸送到旋轉的勵磁繞組，對于大容量的同步發電機，其勵磁電流達到數千安培，使得集電環嚴重過熱。因此，在大容量的同步發電機中，常采用不需要電刷和集電環的旋轉整流器勵磁系統，主勵磁機是旋轉電樞式三相同步發電機，旋轉電樞的交流電流經與主軸一起旋轉的硅整流器整流后，直接送到主發電機的轉子勵磁繞組。交流主勵磁機的勵磁電流由同軸的交流副勵磁機經靜止的晶閘管整流器整流后供給。由于這種勵磁系統取消了集電環和電刷裝置，故又稱為無刷勵磁系統。

優點：同步，可當發電機用。

缺點：電刷容易壞，電機結構復雜，造價高

雙饋異步電機

雙饋發電機又稱交流勵磁雙饋發電機，定子結構與異步電機相同，轉子結構帶有滑環和電刷，與繞線式異步電機和同步電機不同，轉子側可以加入交流勵磁，既可輸入電能也可輸出電能，有異步機的某些特點又有同步機的某些特點。正因為其定子和轉子（經過變流器）同時和電網連接，在超同步運行時，定、轉子可以同時發電，因此稱為“雙饋”。雙饋發電機的性能特點是可以在較大范圍內變速運行，而定子側輸出電流的頻率恒定，轉子磁需要配套的變流器勵磁，定、轉子繞組電流頻率關系： f1=p/60*n± f2。

雙饋異步風力發電機（DFIG，Double Fed Induction Generator）是一種繞線式感應發電機，是變速恒頻風力發電機組的核心部件，也是風力發電機組國產化的關鍵部件之一。該發電機主要由電機本體和冷卻系統兩大部分組成。電機本體由定子、轉子和軸承系統組成，冷卻系統分為水冷、空空冷和空水冷三種結構。

雙饋異步發電機的定子繞組直接與電網相連，轉子繞組通過變頻器與電網連接，轉子繞組電源的頻率、電壓、幅值和相位按運行要求由變頻器自動調節，機組可以在不同的轉速下實現恒頻發電，滿足用電負載和并網的要求。由于采用了交流勵磁，發電機和電力系統構成了"柔性連接"，即可以根據電網電壓、電流和發電機的轉速來調節勵磁電流，精確的調節發電機輸出電壓，使其能滿足要求。

工作原理

雙饋感應發電機由定子繞組直連定頻三相電網的繞線型感應發電機和安裝在轉子繞組上的雙向背靠背IGBT電壓源變流器組成。

”雙饋“的含義是定子電壓由電網提供，轉子電壓由變流器提供。該系統允許在限定的大范圍內變速運行。通過注入變流器的轉子電流，變流器對機械頻率和電頻率之差進行補償。在正常運行和故障期間，發電機的運轉狀態由變流器及其控制器管理。

變流器由兩部分組成：轉子側變流器和電網側變流器，它們是彼此獨立控制的。電力電子變流器的主要原理是轉子側變流器通過控制轉子電流分量控制有功功率和無功功率，而電網側變流器控制直流母線電壓并確保變流器運行在統一功率因數（即零無功功率）。

功率是饋入轉子還是從轉子提取取決于傳動鏈的運行條件：在超同步狀態，功率從轉子通過變流器饋入電網；而在欠同步狀態，功率反方向傳送。在兩種情況（超同步和欠同步）下，定子都向電網饋電。

憂點首先，它能控制無功功率，并通過獨立控制轉子勵磁電流解耦有功功率和無功功率控制。其次，雙饋感應發電機無需從電網勵磁，而從轉子電路中勵磁。最后，它還能產生無功功率，并可以通過電網側變流器傳送給定子。但是，電網側變流器正常工作在單位功率因數，并不包含風力機與電網的無功功率交換。

以上，加之國家將繼續采用補貼強制相結合的手法，滾動提升電機能效標準，永磁直驅電機的滲透率將持續快速提升。