風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其功率變換器的發(fā)展現(xiàn)狀

高新平 楊振元

摘要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計制造與諸多行業(yè)密切相關(guān)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，進(jìn)行探索非常必要。本文綜述了國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展概況，簡要介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)最新研究進(jìn)展，但是風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展還存在著一定的問題，希望我們早日能夠攻克難關(guān)，為新能源的開發(fā)利用奠定重要的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī);功率變換器;發(fā)展現(xiàn)狀

中圖分類號：TM315

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672 - 9129（2018）12 - 0090 - 02

1 技術(shù)現(xiàn)狀

在風(fēng)電系統(tǒng)中，風(fēng)電之所以能夠轉(zhuǎn)換為電能離不開核心部件的作用，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是由多個部件共同組成的，包括風(fēng)輪、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、功率變換器、變壓器等。在發(fā)展初期風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用的是小容量直流發(fā)電機(jī)，而風(fēng)電機(jī)組大型化已成為發(fā)展趨勢，在其影響下目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要形式交流發(fā)電機(jī)。

由于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)處于飛速發(fā)展階段，早期的直流發(fā)電機(jī)、籠型異步發(fā)電機(jī)已成為歷史，由雙饋異步發(fā)電機(jī)所替代，而低速直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)也逐漸得到推廣。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)水平的不斷提升，對風(fēng)力發(fā)電整體技術(shù)起到積極的推動作用。由于雙饋異步發(fā)電機(jī)和控制技術(shù)已趨于成熟，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了變速恒頻風(fēng)力發(fā)電，占據(jù)主流地位。

對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的類型加以劃分，如果遵循的標(biāo)準(zhǔn)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特征可發(fā)分為恒速、有限變速、變速三種風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

2 發(fā)展趨勢

不論是現(xiàn)代社會還是經(jīng)濟(jì)發(fā)展都是以能源為基礎(chǔ)的，但是能源工業(yè)的發(fā)展形式是嚴(yán)峻的，遠(yuǎn)期，面臨著礦物資源枯竭危機(jī)。近期，要承擔(dān)全球環(huán)境污染的壓力。尤其是中國經(jīng)濟(jì)處于高速發(fā)展階段，此問題顯得尤為嚴(yán)重。為了使全球能源問題得到解決，可再生能源的開發(fā)是根本途徑。而風(fēng)能是典型的可再生能源，清潔環(huán)節(jié)，已引起全世界的關(guān)注，發(fā)展空間廣闊。風(fēng)能的蘊(yùn)藏量是極其巨大的，把統(tǒng)計全球有2X 10 7MW可以被利用，是地球可開發(fā)利用水能的10倍，其總量極其巨大。還要注意的是風(fēng)能向電能轉(zhuǎn)換，無須消耗石化能源，更不會有廢料及有害氣體產(chǎn)生，環(huán)境不會受到污染，可以就地取材，無須付出運(yùn)輸費(fèi)用。在所有新能源之中風(fēng)能的成本最為低廉。而風(fēng)力發(fā)電是新興產(chǎn)業(yè)，其商業(yè)發(fā)展前景廣闊，是解決世界能源問題的主力軍。

由于各國政策的傾斜，加之科技迅速發(fā)展，對風(fēng)力發(fā)電起到積極的促進(jìn)作用，其發(fā)展前景是廣闊的。經(jīng)過研究認(rèn)為在未來幾年時間里，世界風(fēng)力發(fā)展體現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢：1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量越來越大，利用率顯著提升。達(dá)到2～ 3MW以上的風(fēng)電機(jī)組已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，而5MW的風(fēng)電機(jī)組已正式投入使用，與小型機(jī)組相比，兆瓦級機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益更加顯著;風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳葉呈現(xiàn)出快速增長之勢，對風(fēng)能的捕捉能力達(dá)到較高水平;塔架越來越高，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)在50米處捕捉風(fēng)能的能力與30米處相比，前者要高于后者20%。在國際風(fēng)電市上，主流產(chǎn)品是兆瓦級風(fēng)力機(jī)。2、變漿距功率可調(diào)節(jié)機(jī)組迅速發(fā)展起來，獨(dú)立變槳技術(shù)逐漸成熟。定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有不可比擬的優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，但是變槳距功率調(diào)節(jié)方式同樣具有自己的優(yōu)勢，具有載荷控制平穩(wěn)、安全、高效等特點(diǎn)，在風(fēng)電及大型風(fēng)電機(jī)組上應(yīng)用較為廣泛。如果風(fēng)電機(jī)組達(dá)到2MW以上，一般情況下采用三個獨(dú)立電控調(diào)槳機(jī)構(gòu)，在三組變速電機(jī)的作用下，并與減速箱相結(jié)合，對槳葉分別進(jìn)行閉環(huán)控制。3、關(guān)鍵部件的可靠性更強(qiáng)，大型化取得更大的進(jìn)步。以空氣動力學(xué)為基礎(chǔ)，并與商用軟件設(shè)計優(yōu)勢相結(jié)合，葉片葉型已逐漸成熟起來，槳葉的材料和結(jié)構(gòu)不斷創(chuàng)新。4、風(fēng)力發(fā)電走出陸地風(fēng)場的限制，向海面風(fēng)場延伸。以德國、丹麥等風(fēng)電大國為例進(jìn)行研究，這些國家加大建設(shè)力度，大規(guī)模的海上風(fēng)電場項(xiàng)目得以建設(shè)完成。雖然容量裝機(jī)相同，對海上與陸地成本加以比較，前者增加了60%，但從發(fā)電量也大幅增加，達(dá)到50%以上，而且每向海洋推進(jìn)10米則使發(fā)電量大幅增加，達(dá)到30%以上。在甸東部沿海地區(qū)，風(fēng)能資源極其豐富，與陸地風(fēng)能資源相比，超過3倍以上;由于與電力負(fù)荷中心的距離較近，可以做出判斷，我國今后新興能源基地是海上風(fēng)電場是發(fā)展的必然趨勢。5、全球率變流技術(shù)已逐漸興起。從最近幾年的情況來看，以歐洲ENERCON、WINWIND為代表的大公司把全功率變流并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐中并取得良好的效果，風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的調(diào)整范圍顯著擴(kuò)大，額定轉(zhuǎn)速達(dá)到O至150%，使風(fēng)能的利用范圍得以擴(kuò)大，電網(wǎng)供電的電能質(zhì)量得到有效的改善。

3 結(jié)論

風(fēng)能向電能轉(zhuǎn)換的過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為不可缺少的核心部件，早在上個世紀(jì)的70年代末各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，涌現(xiàn)出不同的發(fā)電系統(tǒng)，在本論文中對國內(nèi)外主要類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究，針對其技術(shù)特點(diǎn)加以評述，對于不同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能進(jìn)行比較分析，探討最新發(fā)展趨勢，把研究進(jìn)展表現(xiàn)出來，對我國風(fēng)力發(fā)電研發(fā)工作具有重要的參考價值。

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