（甘肃龙源风力发电有限公司 甘肃酒泉 736100）
摘要：随着社会的逐步前进，社会的能源消耗结构发生了巨大的变化，由之前的消耗煤、石油、天然气三大不可再生能源，转变成消耗一些清洁能源。随着不可再生能源的减少，能源结构发生了巨大的变化。风力发电也生了极大的变化，由以往的大中型直接驱动式风力发电系统转变为效能更高的外转子永磁同步风力发电机系统，该系统具有诸多优点，同时可以将电力电子技术、风力转化技术融合在一起，永磁式同步风力发电模式的研究具有现实意义，可以保护环境，节约能源，不断提高人们的生活水平。风能作为一种可以再生而且清洁的能源自古以来就一直受到世界各国人们的关注，风能是仅次于水能的一大清洁能源，因此利用风力来发电可以解决能源短缺的问题。我国最近几年的利用风力来发电的事业处在蓬勃发展期。在设备装置方面，采用外转子永磁同步风力发电机，而且风力发电的发电机数量也在不断地增加。
关键词：外转子；永磁同步；风力发电机；工作点
风力发电的发展趋势日益兴旺，目前的风力发电已经由传统的陆地发电转到了海上的风力发电。地球的海洋资源比较丰富，陆地面积稀缺，如果可以利用广阔的海风来发电，将极大地促进社会的全面进步。在风力发电的机械逐步进化过程中，无刷双馈电机由于更高的可靠性，成为目前风力发电电机研究的热点，在电机工作的同时，世界先进的发电水平采用新型的变流器，使用交流—直流—交流—变流器。在整个风力发电的系统中，永磁式直驱风力发电系统改变了传统的增速齿轮箱，将风力发电的电极系统直接安装在不断旋转的叶轮上，整个系统可以将交直流电变得随风力变化而变化，使用变频器将频率变化的风电送入存点系统—电网。
一、外转子永磁风力发电系统组成及工作原理
1.1外转子永磁同步风力发电机的电机结构
外转子永磁同步风力发电机相比于传统的风力发电机发生了较大的变革，它改变了以往笨重增速结构，不再使用齿轮箱作为风力发电的巨大加速结构，而是将风力驱动起来的巨大风力臂与永磁风力同步发电机连接在一起，随着当地风力的大小，风力臂的转速不断地改变速度，切割发电机的磁场线后会产生不同频率的交流电，后将所产生的交流电，通过精密的电力电子变换器将交流转变成直流电，最后将所有的直流通过一系列调频，转变成频率一致的交流电，在电网系统的总端口安装全功率变频器，将所有风力发电产生的频率变化的交流电汇总调整后送入电网系统。下图给出的是外转子永磁同步风力发电机的定子以及转子工作时的截面图。
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图1 外转子永磁同步风力发电机的定子以及转子工作时的截面图
1.2外转子永磁同步风力发电机特点
外转子永磁同步风力发电机有着比大型风力发电机组结构简单，体积较小以及运行起来稳定性更高。外转子永磁同步风力发电系统采用永磁励磁和集中绕组的设计方式，使得整个风力发电的结构简单、可靠性高；同时由于改变了传统的笨重风力桨以及沉重的发电机结构，使得整体的风力发电系统变得体积更小、重量更轻及比功率更大；虽然，发电的电量受当地的风力影响较大，但是总的来说，外转子永磁同步风力发电系统的中、低速发电性能好，产生电的效率高；外转子永磁风力发电自身的优势，导致无需外加励磁电源而且特别适合于在潮湿或灰尘多的恶劣环境下工作。外转子永磁同步风力发电系统由于以上的优点，所以在实际的风力发电中得到了广泛的应用。
1.3外转子永磁同步风力发电机基本原理
永磁同步风力发电机在合成时采用了性能优良的稀土永磁材料，而且是该稀土材料装置的电路拓扑结构。整个结构省去了增速箱这类笨重的结构。永磁同步风力发电有外转子和内转子之分，外转子永磁同步风力发电机中，将定子固定在电机的中心，而外转子围绕着整个定子旋转，在整个发电机运行的部分，最为关键的部分就是转子。下图为永磁风力发电机外转子和内转子的磁力线分布线。
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图2 左图为永磁同步风力发电机内转子的磁力线分布、右图为永磁同步风力发电机外转子的磁力线分布
二、外转子永磁同步风力发电机运行工作点的确定
外转子永磁同步风力发电机的电磁设计要考虑发电机的输出效率、负载情况、发电机的输出效率、以及发电机在运行的过程中可能出现偶然情况。
在外转子永磁同步风力发电机运空载运行时，在发电机内部产生的磁通量只是由运转内部的磁极产生的，通常的发电机系统采用的永磁发电材料有钕铁硼等介于导体和半导体之间的材料。在外转子永磁同步风力发电机运负载运行时，影响因素有电枢反应的大小、电枢反应的方向。经过BH曲线计算总磁导，可以得到空载以及负载工作点，如下图所示为对应的工作点的确定。
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图三 左图为外转子永磁同步风力发电机空载运行工作点、右图为外转子永磁同步风力发电机负载运行工作点
三、永磁风力发电机系统动态特性分析
风力发电机组运行时符合贝兹理论及风能捕获原理，在正常启动情况下，符合正常运行的条件下，按步骤启动分为三个阶段：第一阶段起动阶段，该阶段的外转子永磁同步风力发电机的转速由刚开始的静止状态转变到开始加速阶段，此时刚开始的切入阶段外转子永磁风力发电机处于不工作的状态；第二阶段外转子永磁风力发电机在额定风速以下的区域，切入电网运行，该阶段的达到额定的风速，发电机将正常的运行切入，此时将整个风力发电系统正常的切入电网运行；第三阶段额定风速以上的功率恒定区，在这个阶段，外转子永磁同步风力发电机可以根据风速来尽可能的获取能量。按照理论来讲，输入功率无限大的情况，输出功率也应该是无限的，但是实际的输出功率受到外转子永磁同步风力发电机的限制，导致输出功率有额度的，一旦超过这个限度，外转子永磁同步风力发电机系统的一些零部件将会受损，因此考虑到最适合的输出功率，以及减少对发电机的损耗，必须考虑到两个因素：第一个因素是永磁同步风力发电机的功率限制；整个发电机自身的电力电子零部件的搭配会尽可能的发挥最大的功率；第二个因素考虑到永磁同步风力发电机自身的转速限制，在风力不断加大的区域，风力发电机会不断地调节自身的功率来适应风力。考虑到上述的风力发电机的运转情况，设计发电机的内部构造来不断 地实现输出功率的最大化，实现最佳的外转子永磁同步风力发电机的运行。
四、结束语
现代的风力发电系统已经极大的改变了以往的高成本机械设备、低效率风力发电以及风力发电能源转换困难等一系列的问题。现代的风力发电系统设备，尤其是风力发电机采用永磁同步风力发电机，不断更新的发电技术，使得能源整个发电系统朝着更高科技的方向发展。在以后的发展方向层次，可以朝着下列的几个方向发展：第一、风选场的选择，不断的选择风源好的风选场；第二、风选场可以兼顾陆地和海洋，路地的地形对风选场的影响较大；第三、在不同的风力地区选择不同大小的风力发电机，不仅可以节约成本，而且还可以提高风力发电的效率；第四、并网大型与离网分散二者共同兼顾，互补性的发展。外转子永磁同步风力发电系统是符合现代化对风力发电的要求，即风力发电朝着更加轻便、更加价廉、结构具有柔性、随风力进行自动调整变速的恒频发电。
参考文献
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