大功率永磁同步風力發(fā)電機技術特點和技術發(fā)展趨勢(2013-11-15)

1、南車株洲電機有限公司 大功率永磁同步風力發(fā)電機技術特點和技術發(fā)展趨勢匯報人：李進澤報報 告告 提提 綱綱 第一部分第一部分 第二部分第二部分 第三部分第三部分 第四部分第四部分 風電機組技術發(fā)展趨勢風電機組技術發(fā)展趨勢 永磁同步風力發(fā)電機技術特點永磁同步風力發(fā)電機技術特點 結結 束束 語語 永磁同步風力發(fā)電機技術發(fā)展趨勢永磁同步風力發(fā)電機技術發(fā)展趨勢報告人：李進澤（中國南車首席技術專家） 公司2004年成立，前身為鐵道部田心機車車輛工廠電機車間(1936年)，是中央企業(yè)中國南車股份有限公司的全資一級子公司； 國內最大的高速動車組、電力機車、城軌車輛牽引電機和變壓器的專業(yè)化研制基地； 公司是國家

2、高速重載鐵路九大核心技術中的兩項核心技術-牽引電機和牽引變壓器的主要承擔單位，鐵路牽引電機和牽引變壓器的行業(yè)標準第一起草單位； 我國我國風力發(fā)電機最大規(guī)模風力發(fā)電機最大規(guī)模的的生產生產基地基地之一之一； 全國風力機械標準化技術委員成員單位；全國風力機械標準化技術委員成員單位； 國家風力發(fā)電工程技術中心電機研究室。國家風力發(fā)電工程技術中心電機研究室。 1 1 南車電機公司簡介南車電機公司簡介20032004200520062007200820092010201120122013開始進入風電行業(yè)1.2MW直驅永磁發(fā)電機1000kW異步發(fā)電機1.65MW水冷雙饋發(fā)電機2.5MW直驅永磁發(fā)電機3MW半

3、直驅永磁發(fā)電機引進1.65MW雙饋發(fā)電機2.5MW高速永磁發(fā)電機3MW直驅永磁發(fā)電機2.5MW、3MW雙饋發(fā)電機6MW直驅永磁發(fā)電機750kW、800kW異步發(fā)電機1.5MW直驅永磁發(fā)電機1.5MW風冷雙饋發(fā)電機1100kW異步發(fā)電機3MW集成式半直驅永磁發(fā)電機2MW、5MW雙饋發(fā)電機2 2 南車電機風力發(fā)電機產品研發(fā)歷程南車電機風力發(fā)電機產品研發(fā)歷程 資料來源: Bloomberg New Energy Finance 傳動方式傳動方式 電勵磁發(fā)電機電勵磁發(fā)電機 永磁發(fā)電機永磁發(fā)電機高速（三級齒輪箱）混合傳動（一級或二級齒輪箱）直直 驅驅（無齒輪箱）GEsimensVestasGESimen

4、sEnerconVestasRepowerGEMultibridGEGamesaGamesaDarwind華銳金風科技1 1 全球主要機組制造商產品發(fā)展路徑圖全球主要機組制造商產品發(fā)展路徑圖 金風科技2 2 風電機組大型化風電機組大型化 單機功率和風輪直徑越來越大 單機容量越大，單位千瓦的機組造價越低，單機容量逐步提高成為單機容量逐步提高成為國際風電設備發(fā)起戰(zhàn)的主要趨勢之一國際風電設備發(fā)起戰(zhàn)的主要趨勢之一 機組變得更高、更堅固和輕量化更高、更堅固和輕量化，而塔筒和葉片增長速度甚至比額定功率的增長還快，使得機組能夠捕獲低速風能和產出更多的穩(wěn)定電力。風電機組大型化風電機組大型化 全球大功率風電機組

5、研制進展表全球大功率風電機組研制進展表 序序公司名稱公司名稱風電機組功率、類型風電機組功率、類型樣機生產時間樣機生產時間1 1VestasVestas7MW7MW半直驅永磁半直驅永磁2012年年末或2013年初2 2三菱電力7MW7MW（不用變流器）2012年生產，2013年英國示范安裝3 3RE powerRE power5MW/6MW5MW/6MW雙饋雙饋2004年設計5MW雙饋，6MW雙饋將示范安裝4 4SimensSimens6MW6MW直驅永磁直驅永磁2011年11月發(fā)布，2013-2014年安裝5 5阿爾斯通6MW6MW2012-2015年安裝6 6NordexN150 6MW6M

6、W直驅2014-2015年安裝以下以下7 71212項為中國主要風電機組供應商大功率機型的研制時間表項為中國主要風電機組供應商大功率機型的研制時間表7 7金風科技金風科技6MW6MW直驅永磁直驅永磁2013年生產（在試制中）8 8華銳風電華銳風電5MW5MW雙饋雙饋/6MW/6MW全功率異步全功率異步2009年生產5MW雙饋，2011年5月生產6MW9 9聯(lián)合動力6MW6MW半直驅永磁2011年11月生產1010明陽風電6MW6MW半直驅永磁（SCD）2012年12月生產1111湘電風電5MW5MW直驅永磁2011年生產1212重慶海裝重慶海裝5MW5MW高速永磁高速永磁2012年11月生產3

7、 3 海上風電成為全球風電的最新的技術發(fā)展趨勢海上風電成為全球風電的最新的技術發(fā)展趨勢 歐洲歐洲風電場建設已從陸上向海上發(fā)展向海上發(fā)展，而Simeng是歐洲海上風電的主要供應商； 全球海上風電發(fā)展速度已放緩發(fā)展速度已放緩，其將占全球風電裝機容量比例，原預測到20152015年年可占9.6%，現(xiàn)在預測到20202020年年，只占10%； 我國海上風電規(guī)劃：2015年5000MW，2020年30000MW，目標已調低目標已調低，技術不成熟、風險大、投資大和成本高是制約海上風電開發(fā)的主要因素； 未來風電技術更新發(fā)展的驅動力未來風電技術更新發(fā)展的驅動力主要來自蓬勃崛起的近海風電場的建設，這一發(fā)展趨勢已

8、不可逆轉； 海上風電機組是容量容量越來越大（陸上風電機組是質量越來越好）。 20092010201120122013201420152016MSANGBAASVSDCGXVSRBASSGDGVRSBWVSSRNAR&D - but not turbine specificR&D - turbine specificCommercial launch全球海上風電機組產品序列預測（全球海上風電機組產品序列預測（2009-20162009-2016） 4 4 雙饋風電與直驅風電技術并存，但雙饋風電技術因技術相雙饋風電與直驅風電技術并存，但雙饋風電技術因技術相對成熟，綜合性價比高，仍占市場主導地位對成

9、熟，綜合性價比高，仍占市場主導地位 從風輪到發(fā)電機的驅動方式分為三種：從風輪到發(fā)電機的驅動方式分為三種：雙饋式雙饋式（通過多級增速箱驅動雙饋異步發(fā)電機），直驅式直驅式（風輪直接驅動多極同步發(fā)電機），混混合式合式（單級增速裝置加多極同步發(fā)電機）。 直驅永磁風電系統(tǒng) 雙饋風電系統(tǒng) 風電機組重新贏得市場，占有率提升風電機組重新贏得市場，占有率提升 風電整機企業(yè)中主流機型為雙饋風電機組主流機型為雙饋風電機組的仍然占多數(shù)，雙饋風電技術仍占市場主導地位，其中有：l 著名的外資風電企業(yè)丹麥Vestas、西班牙Gamesa、美國GE、印度Suzlon等；l 內資風電主導企業(yè)華銳、國電聯(lián)合動力、東汽、廣東明陽、

10、上海電氣、南車株洲所等。 2011年，隨著永磁材料價格一路飚長永磁材料價格一路飚長，導致直驅永磁風電機組成本大幅增加，使雙饋風電機組在市場的選擇中，意外勝出；意外勝出；2012年，永磁材料價格大幅回落，大幅回落，直驅永磁風電機組才重回市場失地；重回市場失地；2013年，直驅永磁風電機組重新贏得市場，占有率得到較大提升。5 5 半直驅永磁、高速永磁成為新的風電技術熱點半直驅永磁、高速永磁成為新的風電技術熱點 國外，半直驅永磁風電機組國外，半直驅永磁風電機組：阿海法5MW已在海上小批量應用，最近Gamesa推出了4.5MW，Winwind推出了3MW，Vestas在開發(fā)7MW等； 國內，半直驅永磁

11、風電機組國內，半直驅永磁風電機組：金風科技推出了3MW，聯(lián)合動力在開發(fā)3.6MW、5MW等； 國內，高速永磁風電機組國內，高速永磁風電機組：重慶海裝5MW、南車株洲所2.5MW（在研5MW）、北車2.0MW等； 全功率變流器全功率變流器+ +鼠籠異步發(fā)電機風電機組鼠籠異步發(fā)電機風電機組：Simens 2.3MW等。 Page 13報報 告告 提提 綱綱 第一部分第一部分 第二部分第二部分 第三部分第三部分 第四部分第四部分 風電機組技術發(fā)展趨勢風電機組技術發(fā)展趨勢 永磁同步風力發(fā)電機技術特點永磁同步風力發(fā)電機技術特點 結結 束束 語語 永磁同步風力發(fā)電機技術發(fā)展趨勢永磁同步風力發(fā)電機技術發(fā)展趨

12、勢直驅型風力發(fā)電機直驅型風力發(fā)電機1 1 永磁同步風力發(fā)電機主要應用類型永磁同步風力發(fā)電機主要應用類型 按用于不同的風力發(fā)電系統(tǒng)按用于不同的風力發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)永磁同步風力發(fā)電，根據(jù)永磁同步風力發(fā)電機額定轉機額定轉速速不同、變頻器不同差異不同、變頻器不同差異較大，分為以下較大，分為以下3 3種類型：種類型： 直驅型永磁同步風力發(fā)電機（也稱直驅型永磁同步風力發(fā)電機（也稱“低速低速”） 半直驅型永磁同步風力發(fā)電機（也稱半直驅型永磁同步風力發(fā)電機（也稱“中速中速”、“混合傳動混合傳動”） 高速型永磁同步風力發(fā)電機高速型永磁同步風力發(fā)電機類類 型型 直驅型直驅型半直驅型半直驅型高速型高速型額定轉速103

13、0rpm120450rpm10002000rpm極數(shù)p 較多，較多，505012012020較少，如6極或8極典型功率范圍600kW3MW6MW1MW5MW10MW 15MW10MW直驅型直驅型永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng)永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng)（低速型：無齒輪箱、全功率變流器）（低速型：無齒輪箱、全功率變流器） 主要應用類型主要應用類型（1 1）直驅永磁同步風力發(fā)電機）直驅永磁同步風力發(fā)電機金風科技金風科技 1.5MW1.5MW直驅型直驅型永磁風電機組永磁風電機組南車電機南車電機 1.5MW/2.5MW1.5MW/2.5MW直驅型直驅型永磁同步風力發(fā)電機（外轉子結構）永磁同步風力發(fā)電機（外轉子結構）

14、 主要應用類型主要應用類型（2 2）半直驅永磁同步風力發(fā)電機）半直驅永磁同步風力發(fā)電機 變速恒頻變速恒頻半直驅半直驅永磁風電機系統(tǒng)永磁風電機系統(tǒng)中速型：齒輪箱、全功率變頻器中速型：齒輪箱、全功率變頻器南車南車電機電機3MW3MW集成式集成式半直驅永磁發(fā)電機半直驅永磁發(fā)電機金風科技金風科技3MW3MW半半直驅直驅永磁風電機組永磁風電機組變速恒頻永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng)變速恒頻永磁同步風力發(fā)電機系統(tǒng)高速型：全功率變流器（發(fā)電機體積?。└咚傩停喝β首兞髌鳎òl(fā)電機體積?。?主要應用類型主要應用類型（3 3）高速永磁同步風力發(fā)電機）高速永磁同步風力發(fā)電機南車電機南車電機2.5MW2.5MW高速永磁發(fā)電機

15、高速永磁發(fā)電機南車電機南車電機5MW5MW高速永磁發(fā)電機高速永磁發(fā)電機直驅型風力發(fā)電機直驅型風力發(fā)電機2 2 永磁同步風力發(fā)電機典型特征永磁同步風力發(fā)電機典型特征 永磁永磁同步電機，轉子采用同步電機，轉子采用永磁體勵磁永磁體勵磁l 無需勵磁電源，損耗小、效率高，特別在低負荷區(qū)效率高，適合風電機組運行特點；l 無滑環(huán)、電刷，結構簡單，運行可靠；l 體積小、重量輕，功率密度高。 定子繞組通過定子繞組通過全功率全功率變流器變流器與電網相連與電網相連l 對電網無沖擊，低電壓穿越性能好；l 電壓波形質量好，發(fā)電電能品質好；l 發(fā)電機轉速可在較大范圍內調節(jié)；l 發(fā)電機需承受較高的du/dt。直驅型風力發(fā)電

16、機直驅型風力發(fā)電機 發(fā)電機發(fā)電機冷卻方式：采用冷卻方式：采用空空冷或空水冷或機座空空冷或空水冷或機座水冷水冷 發(fā)電機防護方式：發(fā)電機防護方式：IP54IP54 溫升溫升限值：額定點按限值：額定點按降低一個絕緣等級考核降低一個絕緣等級考核溫升溫升l F級絕緣/B級溫升考核；l H級絕緣/F級溫升考核。 典型特征典型特征3 3 永磁同步風力發(fā)電機主要結構類型永磁同步風力發(fā)電機主要結構類型橫向磁通永磁發(fā)電機橫向磁通永磁發(fā)電機軸向磁通永磁發(fā)電機軸向磁通永磁發(fā)電機徑向磁通永磁發(fā)電機徑向磁通永磁發(fā)電機內轉子內轉子外轉子外轉子 徑向徑向永磁發(fā)電機永磁發(fā)電機：目前商用大型：目前商用大型永磁同步風永磁同步風力發(fā)

17、電力發(fā)電機普遍采用；機普遍采用； 軸向磁通永磁發(fā)電機軸向磁通永磁發(fā)電機：目前商用軸向磁通：目前商用軸向磁通永永磁同步風力發(fā)電磁同步風力發(fā)電機功率等級小于機功率等級小于1MW1MW； 橫向磁通永磁發(fā)電機橫向磁通永磁發(fā)電機：目前還沒有商用橫向：目前還沒有商用橫向磁通磁通永磁同步風力發(fā)電機。永磁同步風力發(fā)電機。 主要結構類型主要結構類型 徑向徑向永磁發(fā)電機有如下優(yōu)點：永磁發(fā)電機有如下優(yōu)點：l 結構簡單、制造方便、有效材料利用率高；l 可以通過加長鐵心而縮小外徑；l 氣隙可以較小，節(jié)省永磁材料。 徑向徑向永磁發(fā)電機有外轉子結構、內轉子結構，其中，永磁發(fā)電機有外轉子結構、內轉子結構，其中，外轉子結構相比

18、于內轉子結構：外轉子結構相比于內轉子結構：l 優(yōu)點：磁鋼安裝、固定簡單、可靠性高、用量少；l 缺點：定子冷卻條件相對較差。（1 1）直驅型永磁同步風力發(fā)電機）直驅型永磁同步風力發(fā)電機( (徑向、外轉子徑向、外轉子) )4 4 永磁同步風力發(fā)電機主要內部結構型式永磁同步風力發(fā)電機主要內部結構型式 風輪風輪與發(fā)電機外轉子耦合，直接驅動發(fā)電機旋轉；與發(fā)電機外轉子耦合，直接驅動發(fā)電機旋轉； 發(fā)電機的永磁體安放在外轉子體內圓周發(fā)電機的永磁體安放在外轉子體內圓周表面；表面； 發(fā)電機定子鐵心和繞組安裝在靜止定軸上。發(fā)電機定子鐵心和繞組安裝在靜止定軸上。外轉子磁鋼結構（表面貼磁式）外轉子磁鋼結構（表面貼磁式）

19、（圖片資料來源：技術論文）外轉子直驅永磁發(fā)電機外轉子直驅永磁發(fā)電機（圖片資料來源：金風科技展會宣傳資料磁鋼磁鋼 主要內部結構型式主要內部結構型式（2 2）直）直驅型永磁同步風力發(fā)電機驅型永磁同步風力發(fā)電機( (徑向、內轉子徑向、內轉子) ) 發(fā)電機發(fā)電機的永磁體安放在內轉子體外的永磁體安放在內轉子體外圓周；圓周； 但但永磁體結構復雜，永磁體安裝難度永磁體結構復雜，永磁體安裝難度大；大； 發(fā)電機發(fā)電機定子繞組冷卻定子繞組冷卻好。好。一種外轉子磁極盒結構一種外轉子磁極盒結構內轉子直驅永磁發(fā)電機內轉子直驅永磁發(fā)電機磁鋼磁鋼 主要內部結構型式主要內部結構型式（3 3）中速、高速型）中速、高速型永磁同步

20、風力發(fā)電機永磁同步風力發(fā)電機( (徑向、內轉子、磁極盒結構徑向、內轉子、磁極盒結構) ) 發(fā)電機發(fā)電機的永磁體安放在內轉子的永磁體安放在內轉子體上的磁極盒內；體上的磁極盒內； 永磁體結構雖復雜永磁體結構雖復雜，永磁體安裝，永磁體安裝難度??；難度??； 發(fā)電機發(fā)電機定子繞組冷卻定子繞組冷卻好。好。東方電機東方電機1.65 1.65 MWMW半直半直驅驅永磁發(fā)電機及其磁極結構永磁發(fā)電機及其磁極結構圖片資料來源：論文1.65 MW半直驅永磁同步風力發(fā)電機研制ABBABB中高速永磁發(fā)電機及其內轉子結構中高速永磁發(fā)電機及其內轉子結構(圖片資料來源：)Page 25報報 告告 提提 綱綱 第一部分第一部分

21、第二部分第二部分 第三部分第三部分 第四部分第四部分 風電機組技術發(fā)展趨勢風電機組技術發(fā)展趨勢 永磁同步風力發(fā)電機技術特點永磁同步風力發(fā)電機技術特點 結結 束束 語語 永磁同步風力發(fā)電機技術發(fā)展趨勢永磁同步風力發(fā)電機技術發(fā)展趨勢第三部分第三部分 永磁同步風力發(fā)電機技術發(fā)展趨勢永磁同步風力發(fā)電機技術發(fā)展趨勢 1 1 大功率化大功率化 隨著風電機組大型化，發(fā)電機功率等級逐步增加已成必然； 1.5MW風力發(fā)電機將進入衰退期，2.0MW風力發(fā)電機將進入成熟期，2.53MW風力發(fā)電機將進入成長期； 2 23MW3MW風力發(fā)電機即將成為市場主流風力發(fā)電機即將成為市場主流，陸上：1.53MW，海上36MW；

22、 5MW以上風力發(fā)電機進入實驗、示范階段，6MW6MW級風力發(fā)電機已成為技級風力發(fā)電機已成為技術的主攻方向。術的主攻方向。 美國GE、Simens、Nordex、金風科技在開發(fā)6MW直驅永磁風電機組 湘電已完成5MW直驅永磁風電機組樣機研制 Vestas在開發(fā)7MW半直驅永磁風電機組 重慶海裝已完成5MW高速永磁風電機組研制2 2 高壓化高壓化 在常規(guī)發(fā)電設備中，當容量大于MW級，一般都用高壓發(fā)電機； 3MW3MW以上風力發(fā)電機應考慮采用中高壓以上風力發(fā)電機應考慮采用中高壓，一般可采用2300V、3000V、3300V、6000V、12000V等，但考慮中高壓逆變器供應商少、成本高，目前仍較多

23、采用低壓發(fā)電機，如600V、660V、690V、950V。 湘電5MW直驅永磁發(fā)電機：3300V； 南車風電5MW高速永磁發(fā)電機：3300V 。永磁同步風力發(fā)電機技術發(fā)展趨勢永磁同步風力發(fā)電機技術發(fā)展趨勢 3 3 模塊化模塊化 對于直驅永磁同步風力發(fā)電機來說，由于低速、 大功率，使得發(fā)電機體積大、重量重，從而帶 來的運輸困難、維護吊裝費用高（特別是海上 風電）等缺點；由此，產生了“模塊化”。永磁同步風力發(fā)電機技術發(fā)展趨勢永磁同步風力發(fā)電機技術發(fā)展趨勢SimensSimens公司的模塊化直驅永磁同步風力發(fā)電機模型公司的模塊化直驅永磁同步風力發(fā)電機模型（圖片資料來源：2012年北京國際風能大會暨展覽會）模塊化發(fā)電機模塊化發(fā)電機發(fā)電機模塊發(fā)電機模塊4 4 集成化集成化 中速永磁風電機組傾向采用緊湊型設計，結構布置為集成式齒輪箱和發(fā)電機。 使整個傳動鏈總長度最短，并消除兩個部件間對中不良等問題； 易裝配性、高可靠性、運維友好性。永磁同步風力發(fā)電機技術發(fā)展趨勢永磁同步風力發(fā)電機技術發(fā)展趨勢 英國英國RomaxRomax的的ButterflyTM ButterflyTM 海上風機傳動系統(tǒng)平臺（海上風機傳動系統(tǒng)平臺（3 310MW10MW）（圖片資料來源：Romax 網站）齒輪箱齒輪箱永磁發(fā)電機永