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。

从中长期来看，直驱型和半直驱型传动系统在大型风力发电机组中的占比将逐步上升。

在大功率变流技术和高性能永磁材料日益发展完善的背景下，大型风力发电机组越来越多地采用直驱式永磁同步发电机。

直驱式永磁同步风力发电机相对于传统的双馈风力发电机的优点是：（1）系统取消了齿轮箱装置，结构得到极大的简化，降低了系统的维护率和故障率。

当功率等级达到3MW后，齿轮箱的制造和维护将会遇到极大的困难，因此直驱式永磁风力发电系统为单机容量向更高功率等级发展打下了良好的基础。

（2）永磁同步风力发电机省去了维护率和故障率都较高的滑环和电刷等装置，提高了机组的可靠性，降低了噪声。

（3）利用变速恒频技术可以进行无功功率补偿；直驱式永磁同步发电机与全功率变流器的结合可以显著改善电能质量，减轻对低压电网的冲击。

（4）直驱式永磁同步发电机不从电网吸收无功功率，无需励磁绕组和直流电源，效率高。

（5）与双馈型机组（变流器容量通常为1/3风力发电机组额定功率）相比，直驱式永磁同步发电机采用全功率变流器将电网与发电机隔离，有利于实现风力发电系统的故障穿越。

直驱式永磁同步风力发电机也存在如下缺点：①采用的多极低速永磁同步发电机，电机直径大，制造成本高；②机组设计容量的增大给发电机设计、加工制造带来困难；③定子绕组绝缘等级要求较高；④采用全容量逆变装置，功率变换器设备投资大，增加控制系统成本；⑤由于结构简化，使机舱重心前倾，设计和控制上难度加大。

还有一种半直驱式发电机，结构与一般直驱式永磁发电机类似，只是极数相对较少，且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，故采用半直驱式发电机加低速齿轮箱也是一种折中的方案。

二、永磁同步发电机的类型永磁同步发电机按照其磁通方向可分为径向磁通发电机、轴向磁通发电机以及横向磁通发电机。

1.径向磁通发电机在径向磁通发电机中导体电流呈轴向分布，磁通沿径向从定子经气隙进入转子，这是最普通的永磁发电机形式。

它具有结构简单、制造方便、漏磁小等优点。

径向磁场永磁发电机可分为永磁体表贴式和永磁体内置式两种，其发电机结构类型如图6-1所示。

径向磁场发电机用作直驱式风力发电机，大多为传统的内转子设计［图6-1（a）］，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芯通风散热好，温度低，定子外形尺寸小。

还有一些为外转子结构设计［图6-1（b）］，风力机与发电机的永磁体外转子直接耦合，定子电枢安装在静止轴上，这种结构有永磁体安装固定、转子可靠性好和转动惯量大等优点，缺点是对电枢铁芯和绕组通风冷却不利，永磁体转子直径大，不易密封防护、安装和运输。

径向磁通发电机结构简单、稳定，应用广泛，多数低速直驱式风力发电机都采用径向磁通结构。

图6-1 径向磁通发电机结构2.轴向磁通发电机轴向磁通发电机结构类型如图6-2所示，轴向磁通发电机的绕组物理位置被转移到端面，发电机的轴向尺寸相对较短。

与径向磁通发电机相比，轴向磁通发电机的磁路长度更短。

发电机中导体电流呈径向分布，有利于电枢绕组散热，可取较大电负荷，其中双定子中间转子盘式结构用得较多［图6-2（a）］，它具有结构紧凑、转动惯量大、通风冷却效果好、噪声低、轴向长度短、可多台串联等优点，便于提高气隙磁密、提高硅钢片利用率。

缺点是直径大、永磁材料用量大、结构稳定性差。

还有一种不常用的单定子结构，在永磁体结构轴向不对称时［图6-2（b）］存在单边磁拉力，如果磁路设计不合理，其漏磁通较大，在等电磁负荷下效率略低。

图6-2 轴向磁通发电机结构3.横向磁通发电机横向磁通发电机的结构如图6-3所示，其磁路方向为转子的轴向方向。

横向磁通发电机电枢绕组与主磁路在结构上完全解耦，可以根据需要调整磁路尺寸和线圈窗口来确定电机的电磁负荷，不存在传统电机在增加气隙磁通与绕组电流密度之间结构上的相互制约关系，从而获得较高的转矩密度，缺点是电机结构复杂，制造成本高。

图6-3 横向磁通发电机结构这种发电机可以做成具有很多极对数的电机，且操作上可同时具有同步电机和永磁电机的特点，适用于直驱式风力发电。

但是，横向磁通发电机的控制很复杂。

此外，发电机气隙磁通是非正弦的，当发电机的转子转动时，磁路的变化是连续的、非线性的。

这导致对这种电机进行设计分析的难度加大，给机组制造带来了很大困难。

因此这种电机是否能够在风力发电系统中运行还有待进一步的深入研究。

三、直驱式永磁同步风力发电机组图6-4是一个典型的直驱式永磁同步发电机组组成示意图。

直驱式永磁同步风力发电机组有多种形式，当前工业上应用的直驱式永磁同步发电机组主要采用全功率变流器，归纳起来主要有以下四种形式。

图6-4 直驱式永磁同步发电机组1.机侧采用不可控整流，网侧采用PWM逆变采用不可控整流的永磁直驱变流器如图6-5所示，发电机定子输出端接三相二极管整流桥进行不可控整流，直流侧釆用电感电容滤波，网侧逆变器把直流侧电能逆变成工频交流电馈入电网。

这种方式只有当发电机线电压的峰值高于直流母线电压时发电机才能馈出电能，而直流母线电压的最小值由电网电压决定，因此发电机运行电压需设计较高的输出电压，这对变流器所使用的电力电子器件耐压提出很高的要求，导致系统成本大大增加，降低了整机效率。

由于釆用二极管不可控整流，能量不能双向流动；同步发电机不可控，最大功率跟踪不易实现。

而且发电机定子电流存在很大的低次谐波成分，发电机的铜耗和铁耗较大，降低了发电机的效率。

这种拓扑结构缺陷明显，很少采用。

图6-5 采用不可控制整流的永磁直驱变流器2.机侧釆用不可控整流+boost升压，网侧釆用PWM逆变采用不可控整流+boost升压的永磁直驱变流器如图6-6所示，能量经由不可控AC/DC变流器到达直流侧，风速的变化导致直流侧电压的波动，采用升压变流器将DC/AC变流器直流母线侧电压稳定控制，然后通过DC/AC变流器逆变并入电网。

这种电路结构的成本较低，但是它不具备四象限运行的能力，且发电机侧由于不可控整流导致谐波增大，影响电机运行和效率，因而在运行中受到很大的限制。

并且当系统功率较大时，大功率的boost升压电路设计困难。

但是，这种拓扑结构因为成本相对较低，在当前直驱式风力发电工程中得到较多应用。

图6-6 采用不可控制整流+boost升压的永磁直驱变流器3.机侧釆用相控整流，网侧采用PWM逆变机侧采用相控整流的永磁直驱变流器如图6-7所示，这种方式与前两种方式相比，由于晶闸管的导通时间可以通过触发角控制，一定程度上抑制了电流，防止直流母线过压，实现机侧可控，成本较低。

但是机侧低次谐波较大的缺点依然没有改善。

因此实际系统中这种拓扑结构也很少采用。

图6-7 机侧采用相控整流的永磁直驱变流器4.采用具备四象限运行能力的背靠背双PWM变流器控制的功率变流器背靠背双PWM控制的永磁直驱变流器如图6-8所示，同二极管不可控整流相比，机侧变流器采用PWM整流可以大大减少发电机定子电流谐波含量，从而降低发电机的铜耗和铁耗，并且PWM变流器可提供几乎为正弦的电流，减少了发电机侧的谐波电流。

通过控制系统的控制，可以将永磁同步发电机发出的变频变幅值电压转化为可用的恒频电压，并达到俘获最大风能的目的。

这也是一种技术最先进、适应范围最为广泛、代表目前发展方向的拓扑结构。

釆用背靠背双PWM变流器直驱式永磁同步风力发电机，由风力机、永磁同步发电机、背靠背双PWM变流器和滤波电路组成。

永磁同步发电机的转子不接齿轮箱，直接与风力机相连。

定子绕组经过四象限变流器和电网相连。

背靠背双PWM 变流器由机侧变流器和网侧变流器组成，可实现能量双向流动，机侧变流器可实现对永磁同步发电机的转速/转矩进行控制，网侧变流器实现对直流母线进行稳压控制。

图6-8 背靠背双PWM变流器控制的永磁直驱变流器。