中速永磁風(fēng)力發(fā)電機集成技術(shù)特點及市場前景

王西

摘要：隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)在風(fēng)電市場上主要分為高速雙饋發(fā)電機和低速永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機兩大主流機組，而兩款主流機組的缺點是雙饋機組高轉(zhuǎn)速，需要從電網(wǎng)吸收少量能量，優(yōu)點體積小，成本低;低速永磁風(fēng)力發(fā)電機優(yōu)點切入風(fēng)速低，轉(zhuǎn)速低并網(wǎng)友好，全功率變頻。缺點隨著功率的增大，發(fā)電機體積會越來越大。結(jié)合了雙饋發(fā)電機體和永磁發(fā)電機的優(yōu)點，實現(xiàn)了中速永磁傳動技術(shù)，從而實現(xiàn)低風(fēng)速小體積大功率的發(fā)電機更能適應(yīng)風(fēng)電發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 中速永磁?? 集成?? …低風(fēng)速??? 沿海

1、雙饋異步發(fā)電機（DFIG）和永磁同步發(fā)電機（PMSG）結(jié)構(gòu)與優(yōu)缺點：

雙饋異步發(fā)電機（DFIG）：屬籠型異步發(fā)電機，使用雙饋繞線的方式，是一種繞線型感應(yīng)發(fā)電機，由定子繞組直連接定頻三相電網(wǎng)的繞線型異步發(fā)電機，安裝在轉(zhuǎn)子繞組上，通過增速齒輪箱傳遞高轉(zhuǎn)速，通過控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，使發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，從而實現(xiàn)電流頻率的恒定。

首先，它能控制無功功率，并通過獨立控制轉(zhuǎn)子勵磁電流解耦有功功率和無功功率控制。其次，雙饋感應(yīng)發(fā)電機無需從電網(wǎng)勵磁，而從轉(zhuǎn)子電路中勵磁。最后，它還能產(chǎn)生無功功率，并可以通過電網(wǎng)側(cè)變流器傳送給定子。DFIG相比PMSG變流器容量小，易于安裝和維護，成本低，構(gòu)造簡單，重量和體積相比同步電機大大減小，但低電壓穿越功能不強，需要在變流器中額外增加模塊，發(fā)電機轉(zhuǎn)速高，失效比例高。

永磁同步發(fā)電機（PMSG）：是以永磁發(fā)電機和全功率變流器為核心的風(fēng)力發(fā)電機，通過全功率變頻器和變壓器與高壓電網(wǎng)相連，變頻器將發(fā)電機輸出的不停變化的交流電壓，首先變化為直流，再逆變成電壓頻率和幅值及相位與電網(wǎng)一致的交流電源電壓。PMSG具備最大風(fēng)能跟蹤、定子側(cè)功率因數(shù)和網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)調(diào)節(jié)功能以及有功、無功的解耦控制功能，由于并網(wǎng)電路將PMSG于電網(wǎng)分開，具有隔離故障能力，不會因電網(wǎng)故障損壞PMSG，也不會對電網(wǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響，具備低電壓穿越功能的全功率變流器，。但其體積隨單機功率增加而增加，后期運輸不便，使用的永磁體數(shù)量多，成本高。

2、中速永磁風(fēng)力發(fā)電機的構(gòu)造及優(yōu)勢

中速永磁風(fēng)力發(fā)電機與齒輪箱一體化設(shè)計，大大縮短發(fā)電機與齒輪箱尺寸，使得整體傳動結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間縮小，傳動連接更為合理。并兼顧雙饋機組的成本優(yōu)勢和低速永磁直驅(qū)的發(fā)電性能，尤其適合低風(fēng)速區(qū)域運行和海上風(fēng)資源，運用全功率變流器和中速永磁發(fā)電機，兩級齒輪箱，可以同體積發(fā)電機可以做到10MW以上風(fēng)電機組。

2.1中速永磁發(fā)電機：無需電機滑環(huán)，可靠性高，采用特制齒廓曲線結(jié)構(gòu)，降低磁鋼熱退磁風(fēng)險和機械損壞風(fēng)險，提高磁鋼利用率和電能質(zhì)量。體積僅為直驅(qū)永磁發(fā)電機是1/10.發(fā)電機轉(zhuǎn)子集成力矩限制器，降低極限扭矩至短路扭矩的50%，預(yù)防較大的轉(zhuǎn)矩對齒輪箱的沖擊，從而降低傳動系統(tǒng)總成本。

中速永磁發(fā)電機的構(gòu)造主要由永磁體、轉(zhuǎn)子支架、力矩限制器、線圈、調(diào)心軸承、機座構(gòu)成、。永磁發(fā)電機工作原理轉(zhuǎn)子帶動磁場旋轉(zhuǎn)，定子鐵芯切割磁場產(chǎn)生電流，由線圈導(dǎo)出。

2.2中速齒輪箱：

中速永磁發(fā)電機機組采用中速齒輪箱的設(shè)計，兩級行星結(jié)構(gòu)，無可靠性最差的第三級（高速級），大大降低了齒輪箱的故障率。傳遞效率比高速齒輪箱更高，重量更輕，同時減輕了永磁發(fā)電機的體積和重量，再加上其他部件的優(yōu)化升級，節(jié)約了制造成本。中速永磁技術(shù)的設(shè)計特點，能夠使同容量機組的掃風(fēng)面積做到更大。

齒輪箱作為風(fēng)力發(fā)電機重要組成部分，主要是將葉輪轉(zhuǎn)速加速后傳遞給發(fā)電機，使發(fā)電機增加轉(zhuǎn)速進行發(fā)電。齒輪箱主要由行星架、扭力臂、IMS行星輪、LSS行星輪、軸承等組成。采用兩級行星結(jié)構(gòu)，大大降低了齒輪箱的故障率，傳動效率更高，重量更輕。

3、中速永磁發(fā)電機集成技術(shù)特點

3.1易于安裝：發(fā)電機和齒輪箱通過IMS太陽輪連接，允許較大同軸度誤差，結(jié)合發(fā)電機與齒輪箱連接法蘭定位銷和螺栓連接，大大簡化安裝過程。安裝空間小，結(jié)構(gòu)緊湊，，易于后期裝卸、調(diào)試、維護。

3.2高效率的傳動比例，輸入轉(zhuǎn)速12.6～13.5rpm，傳動比38.1～38.2，傳動效率≥97%，

3.3可靠性：發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速480rpm，運行過程不產(chǎn)生諧波，不受電網(wǎng)電壓波動影響，可靠性高。

3.4振動：由齒輪箱增速后傳遞給永磁發(fā)電機，低轉(zhuǎn)速運行，振動小，噪音低，使機組平穩(wěn)運行，延長機組運行壽命。

3.5扭矩過載保護：發(fā)電機轉(zhuǎn)子安裝集成力矩限制器，完全消除了因過載導(dǎo)致的損壞，。當(dāng)機組在運行過程中，葉輪輸入負(fù)載突然過大時，發(fā)電機力矩限制器可產(chǎn)生打滑結(jié)束轉(zhuǎn)矩的傳遞，此時發(fā)電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動，而負(fù)載停止轉(zhuǎn)動，從而避免造成傳動系統(tǒng)的損壞，大幅延長發(fā)電機和傳動系統(tǒng)的使用壽命。

3.6使用各種嚴(yán)酷的工作環(huán)境：允許在-30℃-+45℃，95%的相對濕度下工作。

4、我國風(fēng)能分布等級及主要區(qū)域

4.1 結(jié)合《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》中風(fēng)能密度等級表，根據(jù)測算出的有限風(fēng)能密度大小，全國風(fēng)能可分為四個等級取，分布如下：

（1）風(fēng)能資源豐富區(qū)是有效風(fēng)能密度在200W/㎡以上的地區(qū)。主要分布在內(nèi)蒙古中西部等地區(qū)，半島、江浙和海南島西岸等區(qū)域的沿海地帶，福建崇武的最高值可達到392.7W/㎡。

（2）風(fēng)能資源較豐區(qū)為有效風(fēng)能密度在（100-200.w/㎡之間的區(qū)域，主要分布在內(nèi)蒙古高原大部、甘肅河西走廊和定西地區(qū)、新疆北部、青海西北部、云南以及沿海豐富帶向內(nèi)陸以內(nèi)的地區(qū)。

（3）風(fēng)能資源中等豐富區(qū)為有效風(fēng)能密度處于（50-100）W/㎡之間的區(qū)域，主要分布在新疆中部、西藏中北部、小興安嶺、山東、河南和沿海風(fēng)能較豐區(qū)向內(nèi)陸以內(nèi)的中間的寬闊地帶。

（4）風(fēng)能資源貧乏區(qū)是有效風(fēng)能密度低于50W/m2，主要分布在四川、重慶、貴州、湖南、湖北、江西、陜西和云南、廣西、廣東、安徽、河南的部分地區(qū)，以及青海東部、新疆西部、西藏東南部等地;其中青藏高原東南部、橫斷山脈、四川盆地、云南西部、貴州北部、重慶南部以及湖南西部等地的風(fēng)能資源最為貧瘠，均小于40W/㎡。在重慶西陽和云南景洪，10年平均有效風(fēng)能密度接近于0為全國最低值。

4.2? 沿海地區(qū)風(fēng)能資源

我國海岸線資源豐富，特別是東南沿海地區(qū)，包括魯、浙、蘇、粵、滬等?。ㄊ校┻@些沿海近10千米寬的地帶都蘊藏了大量的可開發(fā)的風(fēng)能資源，約為180000Km?。江蘇的東部沿海一線屬于溫帶亞熱帶濕潤性氣候，冬季多偏北風(fēng)，夏季盛行東南風(fēng)，風(fēng)速較大且穩(wěn)定，風(fēng)能資源品質(zhì)高且蘊量大。而且，江蘇擁有大量理想的風(fēng)電場址，如沿海大部分海岸、淺海輻射沙洲和灘涂，有利于風(fēng)能資源的開發(fā)。另外，江蘇近海具有更為可觀的風(fēng)電可開發(fā)規(guī)模，為地勢平坦的灘涂，風(fēng)能品質(zhì)較高，技術(shù)可開發(fā)量約為18000MW，可開發(fā)面積約3600k㎡。在江蘇東臺海域附近與陸上比較，風(fēng)功率密度要大25%-30%。

5、中速永磁發(fā)電機的市場前景

中速永磁發(fā)電機的兼顧雙饋發(fā)電機的體積、成本優(yōu)勢和直驅(qū)發(fā)電機的發(fā)電性能優(yōu)勢，在高風(fēng)頻區(qū)域，中速永磁發(fā)電機傳動系數(shù)效率更優(yōu)秀。中速永磁發(fā)電機的市場前景非常廣泛，既能適用于低風(fēng)速地區(qū)，如風(fēng)能資源貧乏區(qū)是有效風(fēng)能密度低于50W/m2，主要分布在湖南、湖北、江西、安徽、江蘇的部分地區(qū)，又能適用于沿海一帶風(fēng)場，如東南沿海地區(qū)風(fēng)能豐富帶包括魯、浙、蘇、粵、滬等?。ㄊ校?，這些沿海近10千米寬的地帶都蘊藏了大量的可開發(fā)的風(fēng)能資源。

結(jié)束語

風(fēng)電行業(yè)兩大主流機型雙饋發(fā)電機和直驅(qū)永磁發(fā)電機已經(jīng)有著成熟的技術(shù)和市場，但兩者的缺點也隨之體現(xiàn)出來，而清潔能源的風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)不會因此停歇，中速永磁發(fā)電機后期一定會成為第三大主流機型，成為風(fēng)電事業(yè)添加一直更有力的競爭對手，也是為客戶能夠繼續(xù)增加效益的機型。中速永磁發(fā)電機的大規(guī)模生產(chǎn)，指日可待。

參考文獻：《自動化博覽》2010.27（9）28-30 王建維

宋婧. 我國風(fēng)力資源分布及風(fēng)電規(guī)劃研究[D]. 華北電力大學(xué)（北京） 華北電力大學(xué)， 2013.