風能發電電機的比較本文主要對雙饋式風電機組和永磁直驅式風電機組進行一些簡單介紹，并對其特性，成本進行了比較分析，個人認為采用永磁直驅技術是大型風力發電產品發展可能的趨勢；隨后介紹了國內外目前永磁直驅式風電電機的生產狀況；最后對永磁直驅式風電電機所需要的永磁材料釹鐵硼和上游稀土進行了簡單介紹。1雙饋式和直驅式變速變槳風電機組的風能轉換效率更高，能夠有效降低風電機組的運行噪聲，具有更好的電能質量，通過主動控制等技術能夠大幅度降低風電機組的載荷，使得風電機組功率重量比提高，這些因素都促成了變速變槳技術成為當今風力發電機組的主流技術。目前，市場上主流的變速變槳恒頻型風電機組技術分為雙饋式和直驅式兩大類。雙饋式變槳變速恒頻技術的主要特點是采用了風輪可變速變槳運行，傳動系統采用齒輪箱增速和雙饋異步發電機并網，而直驅式變速變槳恒頻技術采用了風輪與發電機直接耦合的傳動方式，發電機多采用多極同步電機，通過全功率變頻裝置并網。直驅技術的最大特點是可靠性和效率都進一步得到了提咼。還有一種介于二者之間的半直驅式，由葉輪通過單級增速裝置驅動多極同步發電機，是直驅式和傳統型風力發電機的混合。1.1概念簡介雙饋式：交流勵磁發電機又被人們稱之為雙饋發電機。雙饋風電機組中，為了讓風輪的轉速和發電機的轉速相匹配，必須在風輪和發電機之間用齒輪箱來聯接，這就增加了機組的總成本；而齒輪箱噪音大、故障率高、需要定期維護，并且增加了機械損耗；機組中采用的雙向變頻器結構和控制復雜；電刷和滑環間也存在機械磨損。目前，世界各國正在針對這些缺點改進機組或研制新型機組，如無刷雙饋機組。圖1雙饋風電機組與電網連接圖永磁直驅風電機組，就是取消了昂貴而又沉重的增速齒輪箱，風輪軸直接和發電機軸直接相連，轉子的轉速隨來流風速的變化而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經過大功率電力電子變頻器將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變成與電網同頻率的交流電輸出。永磁風電機組與電網的連接情況如圖2所示。圖2永磁風電機組與電網的連接1.2特性比較表1雙饋型與直驅型風力發電機組的特性比較

機型和特性雙饋型風力發電機組永磁直驅風力發電機組系統維護成本較咼（齒輪箱故障多）低系統價格中高系統效率較咼高電控系統體積中較大變流器容量全功率的1/3全功率變流變流系統穩定性中高電機滑環半年換碳刷，二年換滑環無碳刷，滑環電機造價低（1.5WM50萬左右）高（1.5MW160萬左右）電機尺寸小（直徑約為1.5m）大（直徑4.8米左右）電機重量輕重塔內電纜工作電高頻非正弦波，具有較大諧波分量 正弦波流類型諧波畸變可控性難以控制，因為要隨著轉速的變化進行變頻，容易控制，因為諧波頻率穩定，控控制回路多 制回路少電機種類勵磁永磁，設計時要考慮永磁體退磁問題雙饋式風力發電機組的特點是采用了多級齒輪箱驅動有刷雙饋式異步發電機。它的發電機的轉速高，轉矩小，重量輕，體積小，變流器容量小，但齒輪箱的運行維護成本高且存在機械運行損耗。直驅式風力發電機組在傳動鏈中省掉了齒輪箱，將風輪與低速同步發電機直接連接，然后通過變流器全變流上網，降低了機械故障的概率和定期維護的成本，同時提高了風電轉換效率和運行可靠性，但是電機體積大、價格高。永磁直驅雖然發電機體積大、成本高，但由于省去了昂貴的齒輪箱，電能生產的機械傳動路徑縮短了，避免了因齒輪箱旋轉產生的機械損耗、噪聲以及材料的磨損甚至漏油等問題使機組的工作壽命更有保障，也更適合于環境保護的要求；發電機外圍面積大，易散熱，由于沒有電勵磁，轉子損耗近似為零，可采用自然通風冷卻，結構簡單可靠；交流一直流一交流變頻裝置可以根據要求進行有功功率、無功功率及頻率輸出的任意調節，諧波分量低，具有很強的低電壓穿越能力，以適應電網擾動，實現高效率發電。由此可以看出，永磁材料的使用使直驅風電機組的優勢更加突出。永磁直驅同步發電機系統存在的缺點是：對永磁材料的性能穩定性要求高，電機重量和成本增加。另外，IGBT逆變器的容量較大，一般要選發電機額定功率的120%以上。1.3成本比較從制造成本角度講，雙饋型與直驅型發電機組的差別主要有三個方面：電機，齒輪箱，變流器。控制系統等其它系統的造價相差不多。下表是對1.5MW雙饋風電機組（簡稱雙饋式）和發電機外徑為4m的1.5MW永磁直驅風電機組（簡稱直驅式）進行定量的比較。表2雙饋和直驅型價格對比（單位：萬元）機型主要設備價格其他設備總結安裝運輸費用機組設備總價單位千瓦造價齒輪箱發電機變頻器風輪塔架雙饋式116.152 50236.218413865.5841.70.56直驅式0 158.496.7236.2184142.167.98850.59由上表可知:永磁直驅風電機組的設備總價比雙饋風電機組的高5%,單位千瓦造價高5.5%,雙饋機組在價格上占有一定的優勢，但總體價格相差并不是很大。從維修成本來看，直驅型占有相當大的優勢。風力發電機風輪的受力狀況極為惡劣，經常在急劇變化的重載荷下連繼運行數十小時，采用雙饋型機組時，風輪所受到的各種載荷都通過主軸直接傳遞給齒輪箱的低速軸，所以齒輪箱成為故障率最高的部件。有的風場齒輪箱損壞率高達40%?50%，個別品牌的齒輪箱更換率幾乎接近100%。以大坂城風電場一場為例，由齒輪箱故障或損壞導致的直接電量損失年均約15萬kW.h，占非常規維護工作量的40%以上。1.4電機比較小結綜上文所述:雙饋風電機組具有很高的性價比，尤其適合變速恒頻風力發電系統，因而在未來一段時間內仍然是風電行業的主流機型。永磁直驅風電機組可靠性高、運行維護簡單；電網運行質量大大提高。在技術經濟條件成熟時，永磁直驅風電機組有望成為風電領域更受歡迎的產品。目前，由于雙饋風電機組技術十分成熟，生產廠商較多，業主選擇性更強，運行經驗豐富，仍是風電場開發的主流機型。而直驅風電機組技術尚未完全成熟，國內生產廠商較少，有些機型還處在設計研發階段，并且已投人運行的機組運行時間較短，其性能、工藝質量尚需時日考驗，更大兆瓦級直驅風電機組仍需在結構、材料、工藝等方面進一步研究。此外，使用性能更好的變流器才會有更好的前景。直驅風電機組是近幾年發展起來的新型機組，代表了未來風電技術的發展方向。隨著永磁新材料的使用，新結構發電機和電力電子變流器的結合，有望大幅減少大功率低速直驅風電機組的空間尺寸，可以預見直驅風電機組尤其是永磁直驅風電機組的市場占有率將不斷增長。從國外技術發展上來看，采用永磁直驅技術是大型風力發電產品發展必然的趨勢，而且稀土永磁材料在我國的儲量最大，原材料成本遠小于國外，更應該考慮采用永磁直驅技術。必須注意的是永磁電機占直驅機組的成本31%，而雙饋電機只占雙饋發電機組的6%,這樣的話采用直驅式風力發電機組的方案利潤空間會更大。2國內外生產狀況國外直驅風電技術相對比較成熟，已有許多專利和成型的產品。1997年市場上最早出現直驅風電機組，由德國ENERCONGMBH公司制造，機組容量從330kW?2MW；2000年瑞典ABB公司研制出3MW的永磁直驅風電機組，其中包括永磁式轉子結構的高壓風力發電機Windformer，容量3兆瓦、高約70米、風扇直徑約90米;2003年日本三菱重工自行制造出2MW永磁直驅風電機組，并投人運行；2004年4月德國西門子公司開發的3MW永磁直驅風電機組在世界最大的位于挪威Hundhammerfiell的風電場，據稱發電機效率達到98%。德國目前已研制出5Mw的永磁直驅風電機組。近年來，國內多家企業也開始兆瓦級直驅風電機組的研發與制造。2005年金風研制的我國首臺1?2MW永磁直驅風電機組在新疆達坂城風電場并網發電；湘潭電機集團與日本原弘產株式會社合資組建的湖南湘電風能有限公司，2兆瓦直驅式永磁風力發電整機機組已試車成功。2007年11月湘電風能開發的2臺2MW直驅風電機組在內蒙古大唐卓資風電場正式并網發電，08年2月又有2臺2MW機組在福建漳州天鰲風電場順利并網，這些實例都說明我國正在掌握直驅風電機組技術。廣西銀河艾萬迪斯風力發電有限公司與德國AVAVTIS公司聯合推出的2.5兆瓦直驅變槳風力發電也將于2008年二季度完成樣機；具有自主知識產權的新疆金鳳科技股份公司、哈爾濱九州電氣公司也分別研制出1?5兆瓦直驅式風力發電機。表3國內主要企業2種機組參數及應用情況(截止2008年4月)3永磁材料3.1釹鐵硼簡介永磁材料簡介傳統的發電機磁場電流通過滑環時引起與電流平方值成正比的焦耳損耗。采用永磁體磁場不存在這個問題。由于損耗很低，發熱很小，也不需要冷卻。在設計過程中特別注意了磁路的優化問題，包括磁路的尺寸設計，以避免永磁體的去磁。近年來永磁材料的發展不斷取得新的進步。從早期的鋁鎳鉆(AlNico),發展到鐵鍶(Fesr),釤鉆(SmCo)，釹鐵硼(NdFeB)。NdFeB的單位體積能量高達240kJ/m3,是原來永磁材料的6倍。燒結NdFeB永磁材料是目前高性能永磁材料中性價比最高的，現代材料科學尚未發現在磁性能和經濟性方面能夠替代它的永磁材料。科技界也普遍認為，在今后20?30年內，不會有超越燒結Nd—FeB的永磁材料出現并大規模工業應用。本章主要是介紹目前永磁新材料一一釹鐵硼，這也是直驅發電機組使用的材料。釹鐵硼介紹用途：燒結釹鐵硼(NdFeB)永磁號稱''磁王〃，因其極高的磁性能被廣泛應用于工業和消費產品中，遍布軍用和民用的各領域，如音響用喇叭磁片、通訊、計算機VCR磁體、永磁電機、永磁發電機、核磁共振、磁懸浮、電動車、玩具、保健行業、磁選等。隨著全球原材料、資源以及能源的日益緊張，以風電為標志的新型節能環保新能源在國內快速發展，隨著直驅發電機組技術的成熟,將可能推動了高性能NdFeB永磁市場的增長。價格：自從燒結NdFeB永磁材料投入工業應用以來，全世界的年產量一直維持較高速度的增長。需求雖然從2002年至今一直保持著30%以上的年增長率，但由于中國的產能擴大，使世界燒結NdFeB平均價格一路走低，1997年的109美元/千克直至2005年的43.9美元/千克，此后，由于稀土材料價格上漲及美元貶值，上一輪資源價格的上漲，2006年達48.9美元/千克，2007年約50.0美元/千克。成本：原材料成本以釹(鐠釹)、鐵、硼鐵為主。以及極少量的鋱、鉆、鈮、銅等。釹(鐠釹)價格按16?20萬元/噸，用量約30%；純鐵粉的價格約為1萬元/噸，用量約70%；硼鐵用量約2%,價格約為3萬元/噸；雖然1噸鋱和鉆達到數10萬元，但用量極低，占有原料成本比例小。因此，1噸燒結NdFeB的原料成本約8萬元，換算(匯率取6。8)等于11?8美元/千克。一一這成本價格大概是去年年底國內廠商生產成本。生產1噸燒結NdFeB的電力成本約0.65?0.70萬元。除此之外，還有輔助成本，如氣體供應及使用、設備維修與維護、產品檢查及測試、人員工資及管理費用、加工、包裝及運輸、設備折舊等，要視具體情況計算。目前以中牌號、中高牌號產品定位的企業效益相對穩定，毛利率可達30%左右。直驅發電機對NdFeB的需求：一臺1.5MW直驅永磁風力發電機總共需用NdFeB永磁材料1?2噸，2MW需要1?5噸。一臺1?65MW半直驅永磁風力發電機總共需用永磁材料0?5噸，一臺大功率發電機所需要的NdFeB永磁材料更多。而且大型永磁直驅分風力發電機組的陸續投產，將帶動高牌號NdFeB材料市場需求的迅速發展，勢必出現一個大功率永磁發電機應用的高峰。，國內的燒結NdFeB永磁材料生產以中低牌號為主，無法滿足市場需求。（在技術上，日本擁有燒結Nd—FeB發明的知識產權，雖然在2003年已有大部分專利失效，但其技術水平一直居于世界領先地位）。NdFeB生產的投資屬于中等規模，占用土地和廠房面積都不大，投資的絕大部分在于購買設備。目前，國產設備完全能滿足國內中檔產品生產的需要。如果要確保產品的高性能和高穩定性，一般需要進口部分關鍵設備。生產永磁材料（釹鐵硼）上市公司：中科三環：公司主要從事稀土永磁和新型磁性材料及其應用產品的研究，開發和向生產轉化的高新技術企業，是中國最大、全球第二大釹鐵硼永磁材料制造商。風力發電中使用的直驅永磁機組和新能源汽車使用的驅動電機都要大量使用釹鐵硼。公司正在積極推進釹鐵硼磁體在風力電機和混合動力汽車的應用。寧波韻升:寧波韻升主要產品為八音盒、釹鐵硼和電機。在國內市場中具有相當重要的地位，其中八音盒產量居全球第一，分別占據了95%的國內市場與50%的國際市場，汽車馬達電機100%出口美國，居國內第一。太原剛玉:公司是亞洲最大的棕剛玉生產基地，全國市場占有率達30%左右，棕剛玉被廣泛應用于航空航天、國防等尖端領域。另外，公司是我國最大的釹鐵硼材料生產企業之一，產能位居國內同行業的第三位。3.2釹鐵硼材料上游一一稀土稀土元素在地殼中豐度并不稀少，只是分散而已。因此，雖然稀土的絕對量很大，但就目前為止能真正成為可開采的稀土礦并不多，而且在世界上分布極不均勻，主要集中在中國、美國、印度、前蘇聯、南非、澳大利亞等幾個國家，其中中國的占有率最高。隨著國外稀土勘探獲得進展和我國稀土大量開發，我國稀土儲量所占比例不斷下降。根據美國礦務部1998年統計，中國的稀土資源占全球稀土資源的80%左右，具有絕對的資源優勢。但是2005年美國礦務部統計,全球已勘察可供開采稀土礦藏儲量1?54億噸（REO），其中8900萬噸（REO）在中國，占全球儲量的近58%，這些最新的數據顯示，中國占全球稀土的比例正在逐年下降。按照中國稀土學會提供數據顯示，世界累計探明稀土工業儲量約1億噸，我國已探明的稀土資源儲量為5200萬噸，我國稀土儲量已從7000多萬噸下降為5200萬噸左右，仍居世界首位，但比重已從70%左右降至近58%。與我國大量開采稀土形成鮮明對比，國外稀土生產大國都在采取各種方式儲備稀土資源，如美國是世界第二大稀土儲量大國，但把國內最大的芒廷帕斯稀