风电电机及其原材料

风电电机及其原材料

一、双馈式和直驱式

变速变桨风电机组的风能转换效率更高，能够有效降低风电机组的运行噪声，具有更好的电能质量，通过主动控制等技术能够大幅度降低风电机组的载荷，使得风电机组功率重量比提高，这些因素都促成了变速变桨技术成为当今风力发电机组的主流技术。

目前，市场上主流的变速变桨恒频型风电机组技术分为双馈式和直驱式两大类。双馈式变速变桨恒频技术的主要特点是采用了风轮可变速变桨运行，传动系统采用齿轮箱增速和双馈异步发电机并网；而直驱式变速变桨恒频技术采用了风轮与发电机直接耦合的传动方式，发电机多采用多极同步电机，通过全功率变频装置并网。直驱技术的最大特点是可靠性和效率都进一步得到了提高。

还有一种介于两者之间的半直驱式，由叶轮通过单级增速装置驱动多极同步发电机，是直驱式和传统型风力发电机的混合。

（一）简介

交流励磁发电机又被人们称为双馈发电机。双馈风电机组中，为了让风轮的转速和发电机的转速相匹配，必须在风轮和发电机之间用齿轮箱来联接，这就增加了机组的总成本；而齿轮箱噪音大、故障率高、需要定期维护，并且增加了机械损耗；另外，机组中采用的双向变频器结构、控制复杂，电刷和滑环间也存在机械磨损。目前，世界各国正在针对这些缺点改进机组或研制新型机组，如无刷双馈机组。

永磁直驱风电机组取消了昂贵而又沉重的增速齿轮箱。其风轮轴直接和发电机轴相连，转子的转速随来流风速的变化而改变，其交流电的频率也随之变化，经过大功率电力电子变频器将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。永磁风电机组与电网的连接情况如图9.10所示。

图9.9　双馈风电机组与电网连接图

图9.10　永磁风电机组与电网的连接

（二）特性比较

表9.10　双馈式与直驱式风力发电机组的特性比较

续　表

双馈式风力发电机组的特点是采用了多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电机。它的发电机的转速高，转矩小，重量轻，体积小，变流器容量小，但齿轮箱的运行维护成本高且存在机械运行损耗。

直驱式风力发电机组在传动链中省掉了齿轮箱，将风轮与低速同步发电机直接连接，然后通过变流器全变流上网，降低了机械故障的概率和定期维护的成本，同时提高了风电转换效率和运行可靠性，但是电机体积大、价格高。

永磁直驱虽然发电机体积大、成本高，但由于省去了昂贵的齿轮箱，电能生产的机械传动路径缩短了，避免了因齿轮箱旋转产生的机械损耗、噪声以及材料的磨损甚至漏油等问题，使机组的工作寿命更有保障，也更适合于环境保护的要求；发电机外围面积大，易散热，由于没有电励磁，转子损耗近似为零，可采用自然通风冷却，结构简单可靠；交流直流交流变频装置可以根据要求进行有功功率、无功功率及频率输出的任意调节，谐波分量低，具有很强的低电压穿越能力，以适应电网扰动，实现高效率发电。由此可以看出，永磁材料的使用使直驱风电机组的优势更加突出。

永磁直驱同步发电机系统存在的缺点是：对永磁材料的性能稳定性要求高，电机重量和成本增加。另外，IGBT逆变器的容量较大，一般要选发电机额定功率的120%以上。

（三）成本比较

从制造成本角度讲，双馈式与直驱式发电机组的差别主要有三个方面：电机、齿轮箱、变流器。控制系统等其他系统的造价相差不多。表9.11是对1.5 MW双馈风电机组（简称双馈式）和发电机外径为4 m的1.5 MW永磁直驱风电机组（简称直驱式）进行的定量价格比较。

表9.11　双馈式和直驱式风电价格对比（单位：万元）

由表9.11可知，永磁直驱风电机组的设备总价比双馈风电机组的高5%，单位千瓦造价高5.5%，双馈机组在价格上占有一定的优势，但总体价格相差并不是很大。

从维修成本来看，直驱型占有相当大的优势。风力发电机风轮的受力状况极为恶劣，经常在急剧变化的重载荷下连续运行数十小时。采用双馈型机组时，风轮所受到的各种载荷都通过主轴直接传递给齿轮箱的低速轴，所以齿轮箱成为故障率最高的部件，有的风场齿轮箱年损坏率高达40%～50%，个别品牌的齿轮箱更换率几乎接近100%。以大阪城风电场一场为例，由齿轮箱故障或损坏导致的直接电量损失年均约15万kWh，占非常规维护工作量的40%以上。

（四）小结

综上所述：双馈风电机组具有较高的性价比，尤其适合变速恒频风力发电系统，因而在未来一段时间内仍然是风电行业的主流机型。目前，由于双馈风电机组技术十分成熟，生产厂商较多，业主选择性更强，运行经验丰富，其仍是风电场开发的主选产品。永磁直驱风电机组可靠性高、运行维护简单；电网运行质量大大提高。在技术经济条件成熟时，永磁直驱风电机组有望成为风电领域更受欢迎的产品。但直驱风电机组技术尚未完全成熟，国内生产厂商较少，有些机型还处在设计研发阶段，并且已投入运行的机组运行时间较短，其性能、工艺质量尚需时日考验，更大兆瓦级直驱风电机组仍需在结构、材料、工艺等方面进一步研究；此外，使用性能更好的变流器，它才会有更好的前景。

直驱风电机组是近几年发展起来的新型机组，代表了未来风电技术的发展方向。随着永磁新材料的使用，新结构发电机和电力电子变流器的结合，有望大幅减少大功率低速直驱风电机组的空间尺寸，可以预见，直驱风电机组尤其是永磁直驱风电机组的市场占有率将不断增长。

从国外技术发展上来看，采用永磁直驱技术是大型风力发电产品发展的必然趋势，而且稀土永磁材料在我国的储量最大，原材料成本远小于国外。因此，我国更应该考虑采用永磁直驱技术。

二、风电电机国内外生产状况

（一）国外生产状况

国外直驱风电技术相对比较成熟，已有许多专利和成型的产品。1997年市场上最早出现的直驱风电机组，由德国ENERCON GmbH公司制造，机组容量330 kW～2 MW；2000年瑞典ABB公司研制出3 MW的永磁直驱风电机组，其中包括永磁式转子结构的高压风力发电机Wind former，容量3兆瓦、高约70米、风扇直径约90米；2003年日本三菱重工自行制造出2 MW永磁直驱风电机组，并投入运行；2004年4月德国西门子公司开发的3 MW永磁直驱风电机组在世界最大的位于挪威Hundhammerfiell的风电场使用，技术可利用率达98%。德国ENERCON公司研制的直驱式励磁风力发电机组已有多个品种，最大功率已达到7 MW，该公司生产的直驱式励磁风力发电机组，在2009年占据德国风电市场55%以上的份额。

（二）国内生产状况

我国新疆金风科技有限公司与德国Vensys公司合作研制的1.5 MW直驱式永磁风力发电机组，到2009年底，已有1 500多台安装在风电场。湘潭电机公司研制的2 MW直驱式永磁风力发电机组也已经在风电场批量投入运行，其他如广西银河艾万迪斯、内蒙古航天万源、东方电气新能源、潍坊瑞其能、包头汇全稀土、江西麦德风能和山东鲁能等制造企业，也研制出了直驱式永磁风力发电机组。2009年，我国新增大型风力发电机组中直驱式永磁风力发电机组的市场份额已超过17%。

三、永磁材料

（一）永磁材料简介

传统的发电机磁场电流通过滑环时引起与电流平方值成正比的焦耳损耗。采用永磁体磁场不存在这个问题。由于损耗很低，发热很小，也不需要冷却。在其设计过程中，科研开发人员特别注意了磁路的优化问题，包括磁路的尺寸设计，以避免永磁体的去磁。

近年来永磁材料的发展不断取得新的进步。从早期的铝镍钴（Al Ni Co），发展到铁锶（Fe Sr）、钐钻（Sm Co）、钕铁硼（Nd Fe B）。钕铁硼的单位体积能量高达240 kJ/m³，是原来永磁材料的六倍。烧结钕铁硼永磁材料是目前高性能永磁材料中性价比最高的，现代材料科学尚未发现在磁性能和经济性方面能够替代它的永磁材料。科技界也普遍认为，在今后20～30年内，不会有超越烧结钕铁硼的永磁材料出现并大规模工业应用。以下将主要介绍目前使用的永磁新材料——钕铁硼（直驱发电机组使用的材料）。

（二）钕铁硼介绍

烧结钕铁硼永磁号称“磁王”，因其极高的磁性能被广泛应用于工业和消费产品中，遍布军用和民用的各领域，如音响用喇叭磁片、通讯、计算机VCR磁体、永磁电机、永磁发电机、核磁共振、磁悬浮、电动车、玩具、保健行业、磁选等。随着全球原材料、资源以及能源的日益紧张，以风电为标志的新型节能环保新能源在国内快速发展，直驱发电机组技术的成熟，将可能推动高性能钕铁硼永磁市场的增长。

自从烧结钕铁硼永磁材料投入工业应用以来，全世界的年产量一直维持较高的增长速度。需求虽然从2002年至今一直保持着30%以上的年增长率，但由于中国的产能扩大，使世界烧结钕铁硼平均价格一路走低，从1997年的109元/千克降至2005年的43.9元/千克，2006年达48.9元/千克，2007年约50.0元/千克。2007年其价格还不到1997年价格的一半，这主要是由于中国的稀土开采泛滥。

由于2010年7月中国对稀土出口施加限制，稀土价格快速上涨，钕铁硼价格在2011年3月突破了历史高位，达到了230元/千克。

图9.11　2009年3月至2011年3月烧结钕铁硼价格

（三）直驱发电机对钕铁硼的需求分析

一台1.5 MW直驱永磁风力发电机总共需用钕铁硼永磁材料1.2吨，2 MW需要1.5吨。一台1.65 MW半直驱永磁风力发电机总共需用永磁材料0.5吨，一台大功率发电机所需要的钕铁硼永磁材料更多。随着全球对风力发电的加大投入，未来对钕铁硼的需求将持续增加。

（四）钕铁硼材料上游——稀土

根据美国矿务部1998年的统计，我国的稀土资源占全球稀土资源的80%左右，具有绝对的资源优势。2005年美国矿务部统计，全球已勘察可供开采稀土矿藏储量1.54亿吨（REO），其中8 900万吨（REO）在中国，占全球储量的近58%，最新的数据显示，中国占全球稀土的比例正在逐年下降。

我国稀土资源分南北两大块。

●北方：轻稀土资源，集中在包头白云鄂博等地，在四川冕宁也有发现。

主要含镧、铈、镨、钕和少量钐、铕、钆等元素；

●南方：中重稀土资源，分布在江西、广东、广西、福建、湖南等省，以罕见的离子态赋存于花岗岩风化壳层中，主要含钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇和镧、钕等元素。

1990年以来，全球稀土精矿呈现逐年增长态势，20世纪80年代中国开采稀土以来，中国在全球所占的地位越来越重要。2003年以后，中国稀土精矿产量占全球比重达到95%以上。2008年中国生产稀土129 600吨（折REO），占全球产量的96%。

我国的稀土产品已占据87%左右的国际市场，是世界上唯一能够大量供应各种品级、各种规格稀土产品的国家。分析人士指出，全世界稀土市场每年需求折合成100%稀土氧化物约8万吨，而目前国内稀土生产能力已经达到18万吨，产量过剩超过10万吨。

产量过剩使得国内企业相互压价，出口产品价格十分低廉，很多企业处于微利状态。1990年以后15年间，我国稀土出口量增长了10倍以上，但平均价仅是1990年的一半。由于中国对稀土进行限制，2010年稀土主要产品价格皆大幅度增长，其中氧化镨、氧化钕和镝铁合金等几种稀土代表性产品价格环比增幅分别高达88%、104%和124%。2010年1月6日，上述三种产品均价分别为11.7万～12.5万元/吨、12.2万～13.3万元/吨和65万～67万元/吨，而截至2011年1月11日，其价格分别上涨至23万～23.5万元/吨、22.5万～26.5万元/吨以及145万～150万元/吨。

四、政策建议

稀土是不可再生的重要战略资源，在新能源、新材料、节能环保、航空航天、电子信息、新能源汽车、直驱风机等领域的应用日益广泛。经过多年发展，我国稀土开采、冶炼分离和应用技术研发取得较大进步，产业规模不断扩大。但稀土行业发展中仍存在非法开采屡禁不止，冶炼分离产能扩张过快，生态环境破坏和资源浪费严重，高端应用研发滞后，出口秩序较为混乱等问题，严重影响了行业健康发展。对此，我们建议：

第一，建立国家的稀土储备机制，对稀土进行一定的战略储备。

第二，加大稀土行业的整合力度，在国际上形成有很强价格谈判能力的大型稀土企业。

第三，加快稀土关键应用技术研发和产业化，推动具有自主知识产权的科技成果产业化，掌握稀土核心技术专利，为发展战略性新兴产业提供支撑。

第四，对稀土出口要严格控制，必要时可以作为国际谈判的筹码，增强中国在处理国际事务中的话语权。

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