大功率永磁同步风力发电机技术特点和技术发展趋势(2013-11-15).ppt

大功率永磁同步风力发电机技术特点和技术发展趋势(2013-11-15).ppt

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南车株洲电机有限公司,大功率永磁同步风力发电机技术特点和技术发展趋势汇报人：

李进泽,报告提纲,风电机组技术发展趋势,永磁同步风力发电机技术特点,结束语,永磁同步风力发电机技术发展趋势,报告人：

李进泽（中国南车首席技术专家）,公司2004年成立，前身为铁道部田心机车车辆工厂电机车间（1936年），是中央企业中国南车股份有限公司的全资一级子公司；国内最大的高速动车组、电力机车、城轨车辆牵引电机和变压器的专业化研制基地；公司是国家高速重载铁路九大核心技术中的两项核心技术-牵引电机和牵引变压器的主要承担单位，铁路牵引电机和牵引变压器的行业标准第一起草单位；我国风力发电机最大规模的生产基地之一；全国风力机械标准化技术委员成员单位；国家风力发电工程技术中心电机研究室。

1南车电机公司简介,前言,2003,2004,2005,2006,2007,2008,2009,2010,2011,2012,2013,开始进入风电行业,1.2MW直驱永磁发电机,1000kW异步发电机1.65MW水冷双馈发电机,2.5MW直驱永磁发电机3MW半直驱永磁发电机引进1.65MW双馈发电机,2.5MW高速永磁发电机3MW直驱永磁发电机2.5MW、3MW双馈发电机,6MW直驱永磁发电机,750kW、800kW异步发电机,1.5MW直驱永磁发电机,1.5MW风冷双馈发电机,1100kW异步发电机3MW集成式半直驱永磁发电机,2MW、5MW双馈发电机,2南车电机风力发电机产品研发历程,前言,第一部分风电机组技术发展趋势,资料来源:

BloombergNewEnergyFinance,金风科技,1全球主要机组制造商产品发展路径图,金风科技,风电机组技术发展趋势,2风电机组大型化,单机功率和风轮直径越来越大,单机容量越大，单位千瓦的机组造价越低，单机容量逐步提高成为国际风电设备发起战的主要趋势之一机组变得更高、更坚固和轻量化，而塔筒和叶片增长速度甚至比额定功率的增长还快，使得机组能够捕获低速风能和产出更多的稳定电力。

风电机组技术发展趋势风电机组大型化,全球大功率风电机组研制进展表,风电机组技术发展趋势,3海上风电成为全球风电的最新的技术发展趋势欧洲风电场建设已从陆上向海上发展，而Simeng是欧洲海上风电的主要供应商；全球海上风电发展速度已放缓，其将占全球风电装机容量比例，原预测到2015年可占9.6%，现在预测到2020年，只占10%；我国海上风电规划：

2015年5000MW，2020年30000MW，目标已调低，技术不成熟、风险大、投资大和成本高是制约海上风电开发的主要因素；未来风电技术更新发展的驱动力主要来自蓬勃崛起的近海风电场的建设，这一发展趋势已不可逆转；海上风电机组是容量越来越大（陆上风电机组是质量越来越好）。

风电机组技术发展趋势,全球海上风电机组产品序列预测（2009-2016）,风电机组技术发展趋势,4双馈风电与直驱风电技术并存，但双馈风电技术因技术相对成熟，综合性价比高，仍占市场主导地位从风轮到发电机的驱动方式分为三种：

双馈式（通过多级增速箱驱动双馈异步发电机），直驱式（风轮直接驱动多极同步发电机），混合式（单级增速装置加多极同步发电机）。

直驱永磁风电系统,双馈风电系统,风电机组技术发展趋势直驱永磁风电机组重新赢得市场，占有率提升,风电整机企业中主流机型为双馈风电机组的仍然占多数，双馈风电技术仍占市场主导地位，其中有：

著名的外资风电企业丹麦Vestas、西班牙Gamesa、美国GE、印度Suzlon等；内资风电主导企业华锐、国电联合动力、东汽、广东明阳、上海电气、南车株洲所等。

2011年，随着永磁材料价格一路飚长，导致直驱永磁风电机组成本大幅增加，使双馈风电机组在市场的选择中，意外胜出；2012年，永磁材料价格大幅回落，直驱永磁风电机组才重回市场失地；2013年，直驱永磁风电机组重新赢得市场，占有率得到较大提升。

风电机组技术发展趋势,5半直驱永磁、高速永磁成为新的风电技术热点国外，半直驱永磁风电机组：

阿海法5MW已在海上小批量应用，最近Gamesa推出了4.5MW，Winwind推出了3MW，Vestas在开发7MW等；国内，半直驱永磁风电机组：

金风科技推出了3MW，联合动力在开发3.6MW、5MW等；国内，高速永磁风电机组：

重庆海装5MW、南车株洲所2.5MW（在研5MW）、北车2.0MW等；全功率变流器+鼠笼异步发电机风电机组：

Simens2.3MW等。

Page13,报告提纲,风电机组技术发展趋势,永磁同步风力发电机技术特点,结束语,永磁同步风力发电机技术发展趋势,直驱型风力发电机,1永磁同步风力发电机主要应用类型按用于不同的风力发电系统，根据永磁同步风力发电机额定转速不同、变频器不同差异较大，分为以下3种类型：

直驱型永磁同步风力发电机（也称“低速”）半直驱型永磁同步风力发电机（也称“中速”、“混合传动”）高速型永磁同步风力发电机,第二部分永磁同步风力发电机技术特点,直驱型永磁同步风力发电机系统（低速型：

无齿轮箱、全功率变流器）,永磁同步风力发电机技术特点主要应用类型,

（1）直驱永磁同步风力发电机,金风科技1.5MW直驱型永磁风电机组,南车电机1.5MW/2.5MW直驱型永磁同步风力发电机（外转子结构）,永磁同步风力发电机技术特点主要应用类型,

（2）半直驱永磁同步风力发电机,变速恒频半直驱永磁风电机系统中速型：

齿轮箱、全功率变频器,南车电机3MW集成式半直驱永磁发电机,金风科技3MW半直驱永磁风电机组,变速恒频永磁同步风力发电机系统高速型：

全功率变流器（发电机体积小）,永磁同步风力发电机技术特点主要应用类型,（3）高速永磁同步风力发电机,南车电机2.5MW高速永磁发电机,南车电机5MW高速永磁发电机,直驱型风力发电机,2永磁同步风力发电机典型特征永磁同步电机，转子采用永磁体励磁无需励磁电源，损耗小、效率高，特别在低负荷区效率高，适合风电机组运行特点；无滑环、电刷，结构简单，运行可靠；体积小、重量轻，功率密度高。

定子绕组通过全功率变流器与电网相连对电网无冲击，低电压穿越性能好；电压波形质量好，发电电能品质好；发电机转速可在较大范围内调节；发电机需承受较高的du/dt。

第二部分永磁同步风力发电机技术特点,直驱型风力发电机,发电机冷却方式：

采用空空冷或空水冷或机座水冷发电机防护方式：

IP54温升限值：

额定点按降低一个绝缘等级考核温升F级绝缘/B级温升考核；H级绝缘/F级温升考核。

永磁同步风力发电机技术特点典型特征,3永磁同步风力发电机主要结构类型,横向磁通永磁发电机,轴向磁通永磁发电机,径向磁通永磁发电机,内转子,外转子,永磁同步风力发电机技术特点,径向永磁发电机：

目前商用大型永磁同步风力发电机普遍采用；轴向磁通永磁发电机：

目前商用轴向磁通永磁同步风力发电机功率等级小于1MW；横向磁通永磁发电机：

目前还没有商用横向磁通永磁同步风力发电机。

永磁同步风力发电机技术特点主要结构类型,径向永磁发电机有如下优点：

结构简单、制造方便、有效材料利用率高；可以通过加长铁心而缩小外径；气隙可以较小，节省永磁材料。

径向永磁发电机有外转子结构、内转子结构，其中，外转子结构相比于内转子结构：

优点：

磁钢安装、固定简单、可靠性高、用量少；缺点：

定子冷却条件相对较差。

（1）直驱型永磁同步风力发电机（径向、外转子）,4永磁同步风力发电机主要内部结构型式,永磁同步风力发电机技术特点,风轮与发电机外转子耦合，直接驱动发电机旋转；发电机的永磁体安放在外转子体内圆周表面；发电机定子铁心和绕组安装在静止定轴上。

外转子磁钢结构（表面贴磁式）（图片资料来源：

技术论文）,外转子直驱永磁发电机（图片资料来源：

金风科技展会宣传资料,磁钢,永磁同步风力发电机技术特点主要内部结构型式,

（2）直驱型永磁同步风力发电机（径向、内转子）,发电机的永磁体安放在内转子体外圆周；但永磁体结构复杂，永磁体安装难度大；发电机定子绕组冷却好。

一种外转子磁极盒结构,内转子直驱永磁发电机,磁钢,永磁同步风力发电机技术特点主要内部结构型式,（3）中速、高速型永磁同步风力发电机（径向、内转子、磁极盒结构）,发电机的永磁体安放在内转子体上的磁极盒内；永磁体结构虽复杂，永磁体安装难度小；发电机定子绕组冷却好。

东方电机1.65MW半直驱永磁发电机及其磁极结构图片资料来源：

论文1.65MW半直驱永磁同步风力发电机研制,ABB中高速永磁发电机及其内转子结构（图片资料来源：

）,Page25,报告提纲,风电机组技术发展趋势,永磁同步风力发电机技术特点,结束语,永磁同步风力发电机技术发展趋势,第三部分永磁同步风力发电机技术发展趋势,1大功率化随着风电机组大型化，发电机功率等级逐步增加已成必然；1.5MW风力发电机将进入衰退期，2.0MW风力发电机将进入成熟期，2.53MW风力发电机将进入成长期；23MW风力发电机即将成为市场主流，陆上：

1.53MW，海上36MW；5MW以上风力发电机进入实验、示范阶段，6MW级风力发电机已成为技术的主攻方向。

美国GE、Simens、Nordex、金风科技在开发6MW直驱永磁风电机组湘电已完成5MW直驱永磁风电机组样机研制Vestas在开发7MW半直驱永磁风电机组重庆海装已完成5MW高速永磁风电机组研制,2高压化在常规发电设备中，当容量大于MW级，一般都用高压发电机；3MW以上风力发电机应考虑采用中高压，一般可采用2300V、3000V、3300V、6000V、12000V等，但考虑中高压逆变器供应商少、成本高，目前仍较多采用低压发电机，如600V、660V、690V、950V。

湘电5MW直驱永磁发电机：

3300V；南车风电5MW高速永磁发电机：

3300V。

永磁同步风力发电机技术发展趋势,3模块化对于直驱永磁同步风力发电机来说，由于低速、大功率，使得发电机体积大、重量重，从而带来的运输困难、维护吊装费用高（特别是海上风电）等缺点；由此，产生了“模块化”。

永磁同步风力发电机技术发展趋势,Simens公司的模块化直驱永磁同步风力发电机模型（图片资料来源：

2012年北京国际风能大会暨展览会）,模块化发电机,发电机模块,4集成化中速永磁风电机组倾向采用紧凑型设计，结构布置为集成式齿轮箱和发电机。

使整个传动链总长度最短，并消除两个部件间对中不良等问题；易装配性、高可靠性、运维友好性。

永磁同步风力发电机技术发展趋势,英国Romax的ButterflyTM海上风机传动系统平台（310MW）（图片资料来源：

Romax网站）,齿轮箱,永磁发电机,德国Multibird5MW中速永磁风电机组（图片资料来源：

展会资料）,Page29,4多样化发电机与机组安装型式多样，如半直驱永磁同步风力发电机与齿轮箱的安装，有完全分开、悬挂安装（发电机单独成一体）、发电机与齿轮箱高度集成化（发电机与齿轮箱共转轴、轴承）；发电机冷却方式多样，如风冷、冷却器水冷、机座水冷等；发电机磁钢结构多样，如表贴式、嵌入式，且具体结构不断推陈出新；发电机额定电压多样，有低压、中压、高压。

永磁同步风力发电机技术发展趋势,ABB公司7MW半直驱永磁发电机（图片资料来源：

）,南车电机3MW半直驱永磁发电机,Page31,报告提纲,风电机组技术发展趋势,永磁同步风力发电机技术特点,结束语,永磁同步风力发电机技术发展趋势,第四部分结束语,随着直驱永磁风电机组大规模投入运行，其综合优势逐渐显现，已得到市场广泛认可;直驱永磁同步风力发电机技术也得到大量实践的证明，在市场飞速发展的同时，技术也取得巨大的进步;中速、高速永磁同步风力发电机技术也得到推广应用，技术呈现百花齐放的局面；永磁材料在风力发电机行业应用越来越广泛，其技术进步也必将推动永磁同步风力发电机技术进步。

我坚信大功率永磁同步风力发电机和相关永磁材料的技术和产业一定会随风电产业又好又快地健康发展！

Page33,谢谢！

南车株洲电机有限公司,