风涡轮发电机设计的现状与未来趋势Yao Duan and Ronald G. HarleySchool of Electrical and Computer EngineeringGeorgia Institute of TechnologyAtlanta, GA摘要-近年来，各种风涡轮发电机组被设计和制造，例如传统的异步发电机，双馈感应发电机，现场励磁同步发电机和永磁同步发电机。

发电机通过变速箱或没有（所谓直接驱动）和涡轮耦合，在发电机和电网之间有4种不同接口，依赖于所使用的电力电子转换器的类型而定。

本文回顾了不同发电机的拓扑结构和它们的涡轮连接上的最近发展事态，提出了一个新的无变速箱或任何能量电子的发电机设计概念，可行性在此文章中被证明。

关键词-直接驱动，异步电动机，风Ⅰ、简介风能发电是一个世界范围级的快速增长区域。

各种风涡轮机和发电机的拓扑结构已被开发，来最大限度地提高能源转换效率，系统可靠性，并最大限度地降低成本。

风涡轮机的挑战，就是去转换一个相对较低和可变的输入- 冲击在转子上的风力 - 成为一个更快、稳定、适合电网连接的交流电输出[1]。

随着风力发电机组功率的快速增长，这个挑战越来越受到关注。

本文阐述了一些更流行风涡轮发电机组的概念和可用的商业产品，集中在发电机的设计和影响整体风涡轮机系统的发电机拓扑上。

在总结兆瓦级的机器目前趋势和挑战之后，一个新的风涡轮机的概念被提出，避免了变速箱和电力电子转换器，但提高了系统的整体效率，可靠性，机舱重量和系统的可能性整体成本。

II、当前发电技术的回顾A、发电机和电网互联的四种类型一般来说，目前有四大发电机类型被使用在实用级风涡轮发电机组中，名字：异步发电机，双馈感应发电机，现场励磁同步发电机和永磁同步发电机[2]。

风涡轮发电机受天气情况影响，在涡轮和发电机之间有变速箱。

另外，根据发电机连接到电网的手段，有四种类型，如图1所示: [3]图1:发电机和电网互联的四种类型的插图B、变速箱和直接驱动变速箱转变涡轮起步相对较低的转子速度成为接近于发电机的同步速度，降低了发电机重量和避免带有多极慢速度发电机的设计。

然而，变速箱有其自身的重量和低可靠性[2]。

此外，变速箱功率损失占系统总损失的比例相当高，然而效率降低[11]。

基于上述原因，风涡轮机所吸引的制造商将回归成为直接驱动发电机的制造者。

无论是在励磁同步发电机（表1类型2）或永磁同步发电机（表1类型9-11）类型里，目前销售的大多数直接驱动涡轮机都是同步发电机。

该表还显示直接驱动发电机的重量按预期的比通过变速箱驱动的发电机要高得多。

例如，3.8兆瓦永磁同步发电机（表1类型11）本身的重量比在表1 3-7设计的机舱高得多，尽管机舱包含发电机，变速箱，传动轴，刹车等等。

另外据在[2]中报道，和其他类型相比直接驱动永磁发电机都比较昂贵。

尽管直接驱动系统有较大的重量和更高的成本，风涡轮机市场的趋势显示直接驱动发电机正在成为首选。

例如，表1 设计10是来自维斯塔斯最新的发电机设计，维斯塔斯是风涡轮机市场的一个重要角色。

此3兆瓦永磁同步发电机产品显示，维斯塔斯正在从他们的前齿轮式中空玻璃（设计3,4和5）成为永磁同步发电机。

C、连接到电网表1还显示，大多数直接驱动发电机使用电力电子转换器连接到电网(图1类型4)。

其配置有全套可变轴转速操作，从而允许最大功率点跟踪风速。

此外，这些发电机可以被设计成较少的极数和产生约16至20赫兹而不是在60赫兹左右的频率。

然而，和图表1其他三种类型相比，这个配置的缺点也是重要的。

在类型4中，转换器以发电机的全功率评比，而在类型3的变频器以转差功率来评比，这是大约30％的发电机额定功率。

大功率电力电子转换器降低了系统的可靠性，并增加了成本。

此外，电力电子设备的电源电压和功率能力限制发电机的电压水平。

发电机设计时，首选更高电压等级因为它减少了绕组电流，从而降低了损失。

类型2和类型3受转子电阻控制，允许一定范围内的转子速度变化，如维斯塔斯得技术（类型2）[6]或双馈配置（类型3）。

转子电阻控制被赋予伤口转子和滑环。

不过，滑环发电机的使用也有缺点。

滑环部分还有额外的成本和需要保持刷齿轮包括定期更换电刷。

刷齿轮相关的问题在风涡轮机的运行和可靠性上是一个重大的问题。

D、定速或变速一个特定网点的变速或定速风发电机的选择是由多种因素决定的：网点的的风速分布，可靠性和维修问题，系统成本和发电利润。

目前，无论是由于尺寸较大的直接驱动发电机或电力电子转换器，还是绕线转子感应发电机上的滑环，变速发电机的成本远远高于定速发电机。

另一方面，大多数电力部门生产变速发电机都是因为最大功率点跟踪。

长远来说，哪种类型的风力发电机是更有利可图取决于发电机安装处网点的风分布。

表1：近年来发展的典型风力涡轮发电机名单编号发电机类型变速箱制造者功率齿轮转速发电机电压电网连接类型机舱重量发电机重量1 励磁同步发电机是DeWind[4]2MW11.1 -20.7 rpm13.8kV462,000 kgN/A2 励磁同步发电机直接驱动Enercon[5]4.5MW N/A N/A 2 N/A220,000 kg3 异步发电机是Vestas[6]850KW 26 rpm 690V 238,000 kgN/A4 异步发电机是Vestas[6]2MW 16.7 rpm 690V 267,000 kgN/A5 异步发电机是Vestas[6]3MW N/A 1000 V 370,000kgN/A6 双馈感应发电机是Gamesa[7]850KW16.2 -30.8 rpm690V 333,000 kgN/A7 双馈感应发电机是DeWind[4]2MW11.1 到2.7 rpm690V 362,000 kgN/A8 双馈感应发电机是Gamesa[7]2MW 9-19 rpm 690V 4107000kgN/A9 永磁同步发电机直接驱动Zephyros[8]1.5MW 18 rpm 3000 V 4 N/A47,200kg10 永磁同步发电机直接驱动Vestas[6]3MW N/A N/A 470,000 kgN/A11 永磁同步发电机直接驱动ＴheSwitch[9]3.8MW 21 rpm 690V 4 N/A81,000kg12 永磁同步发电机是ＴheSwitch[9]950KW N/A 690V 4 N/A3,400kg 根据[15]，一个特定网点的风速分布一般遵循WeiBull分布，按如下（1）中定义：然而： V 0 =风速h = lim {000)(V V V V ∆∆+}Q V →∆0k,l 是站点特定的形状因子。

不同的站点有不同的风速分布，不同的形状因素。

图2[16]显示在Weibull 风速分布上形状因子k 的影响。

一般来说，风点数据倾向于K 值为2，但网点观察值低至1.5，高至3[17][18]。

像在图2中所看到的，在低k 点，风速分布是更加“扁平化”和在电能生产方面变速发电机，将有超过定速发电机的优势。

另一方面，在具有较高的K 点，风速中心分布紧紧围绕在一个固定的值，大部分时间，定速发电机具有良好的风力发电转换。

图2.在WeiBull 分布上形状因子k 的影响E 、将来趋势从市售风力涡轮发电机的以上分析看出，直接驱动，电网连接发电机是风力发电未来趋势。

变速箱和电力电子转换器的消除将显著增加系统可靠性。

整个系统的效率会增加，因为变速箱和电力电子变换器的损失消除了。

此外，上面讨论的变速箱和转换器的其他的缺点也不再关注。

Ⅲ、直接驱动，电网连接的发电机设计基与商业可用性兆瓦发电机的使用，为了直接驱动，本文考虑了三种候选发电机类型，电网连接发电机：励磁同步发电机，永磁同步发电机和感应发电机。

然而，[12][13]声明了永磁铁励磁的好处，永磁励磁消除了励磁同步发电机励磁损失。

同步发电机和鼠笼式感应发电机通常是以固定速度的风力涡轮机运转，这是特别适合风速Weibull分布中较高的k点。

为了直接驱动和电网连接风力发电机应用，本文设计和比较了感应机和永磁电机。

A、鼠笼式异步发电机的设计鼠笼式感应发电机设计时首先阐明了直接驱动、电网互联兆瓦级发电机的可行性；基本设计参数是5兆瓦，13.8千伏（线-线电压）和400极，60赫兹。

选择的风力发电机组的额定转速为18转，这是一个兆瓦级风涡轮机如表1所示。

然后，如果选择3个插槽/杆/极，定子就有3600插槽。

为了减少发电机的谐波，定子绕组短投1插槽。

对于这种类型的绕组配置，绕组系数根本原来就是0.9452。

Kw异步发电机的基本设计开始于经典施胶方程[14]：S的单位是W，B是特定的磁感应强度，ac 是特定的电力负荷，单位A/m，D 是定子孔直径，单位米，L是发电机有效长度，单位米，n是额定转速，单位=0.9659，转每秒。

如果选择典型值，例如，效率eff=0.84，功率因数pf=0.84，KwD2计算公式为：B=0.5特斯拉，ac=40000，然后L是额定输出功率，为5ＭＷ。

Pout按如下定义：极距长度Ｋpl其中Y是极距以米为单位和p是极数。

如果选择一个方形的极点配置，因=1和定子内径24.3米，定子长度0.191米。

这显著的大型定子内径对于此Kpl发电机制造，运输，安装，是一个伟大的挑战，从而需要被减小，这意味着值需要降低。

另一方面，因为对于同样的极域，方极线圈长度最短，为了Kpl保持定子低电阻，K不能太小。

pl由于制造能力，结构刚度和轴承，此基础上设计的电机气隙长度较大。

根据[19]，对于此设计，气隙长度10毫米是一个可能值。

这个大气隙长度会显著增加整个气隙长度，从而导致降低气隙磁通密度。

作为结果，特定的磁感应强度B下降到0.25特斯拉。

随着选择K是1/10，定子内径被定义为15.245米和眼轴长度是1.197 pl米。

据报道的风力发电机最大定子膛直径是10米[5]，这表明在此基础上设计的15.245米定子内径可行性。

Enercon制造直径10米的发电机，发电机的结构如下面图3所示：图3：气隙直径10米的风发电机插图-EnerconE112[5]经过衡量机器的大小，这种环型感应机运用[14]中典型感应机设计方法进一步设计。

其他设计参数和性能指标突出如下表2：表2：直接驱动电网连接感应发电机的设计定子膛直径15310 mm 额定电压13.8 kV定子外直径15245 mm 额定滑差0.064转子外直径15185 mm 额定效率85.50%转自内直径15225 mm 额定功率因数0.6定子电流密度 5.1A／mm2 分裂滑差0.21转子导条电流密度 5.1A／mm2 分裂扭矩比1.72p u气隙磁通密度0.25 T 有效质量18.6 tons 尽管大气隙长度，表2表明，这个基本设计有一个比较高的效率（85.5％）。