風(fēng)電機組發(fā)電機的技術(shù)發(fā)展和展望初探

韓建華

摘 要：風(fēng)電機組的發(fā)電機性能對整個機組的運行有一定的影響，如何提升機組運行的可靠性和發(fā)電效率是重點。發(fā)電機的成本比較高，決定了整個機組的性價比，不同的發(fā)電機對控制系統(tǒng)的配置不同，同時配備的變頻速率和技術(shù)要求不一樣。發(fā)電機的體積和重量等影響到塔架和基礎(chǔ)建設(shè)成本，因此在實施中必須做好發(fā)電機選擇工作。本次研究中以風(fēng)電機組發(fā)電機技術(shù)特點為基礎(chǔ)，探究未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機組;發(fā)電機;技術(shù)發(fā)展

近些年來風(fēng)電產(chǎn)業(yè)取得突出的進步，成為全球的主力電源。風(fēng)電技術(shù)形式是發(fā)展比較快的能源技術(shù)，尤其是風(fēng)電機組本身，在20世紀(jì)90年代定槳距恒速技術(shù)發(fā)展到今天的變槳

距變速技術(shù)，單機容量也從300kW增大到3 MW，海上風(fēng)機最大單機容量已達到10MW。在氣候變化和能源需求的壓力下，風(fēng)電繼續(xù)保持高速發(fā)展趨勢，結(jié)合全球風(fēng)能的管理情況，到2030年，全球風(fēng)電裝機達到8.3億千瓦。

1.風(fēng)電技術(shù)中出現(xiàn)的各種發(fā)電機組

風(fēng)電機組的發(fā)電技術(shù)形式隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展逐漸改進的，在風(fēng)電發(fā)展的初期，風(fēng)電機組采取的是比較簡單的直流發(fā)電機，直流發(fā)電機的造價比較高，在整個施工過程中，采取的是換向器和電刷，最大的特點是比較穩(wěn)定，保養(yǎng)和維修難度大。近些年隨著電力技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)電機組中的直流發(fā)電機很快被交流發(fā)電機取代。在并網(wǎng)風(fēng)電技術(shù)實施之后，定槳距風(fēng)力發(fā)電機組采取的是雙速異步發(fā)電機，其中變槳距風(fēng)力機組出現(xiàn)之后采取的是變速雙饋異步發(fā)電機。

1.1早期的同步電機

早期的風(fēng)力發(fā)電機組單機容量小，多數(shù)采取的是幾十瓦到幾千瓦的勵磁式或者永磁式的發(fā)電機。永磁式的發(fā)電機效率比較高，運行更為安全和可靠。此外電機的重量輕，體積小，運行起來安全可靠。在實際應(yīng)用中，輸出電壓調(diào)節(jié)相對比較困難，其中勵磁式同步發(fā)電機，采取的是勵磁式電流的方式調(diào)節(jié)，能調(diào)整發(fā)電機輸出電壓，輸出電壓相對而言比較穩(wěn)定，但是發(fā)電機需要采取電刷滑環(huán)，可靠性差，養(yǎng)護的整體成本高[1]。

1.2適合定槳距機組的雙速異步發(fā)電機

在當(dāng)前的風(fēng)力發(fā)電機的實際應(yīng)用中，如何實現(xiàn)電機功率的調(diào)整是重點。在實施中，并網(wǎng)運行成為大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電的主流趨勢，在整個過程中，采取的是同步發(fā)電機并網(wǎng)運行，在風(fēng)機轉(zhuǎn)速達到規(guī)定的要求后，向電網(wǎng)送電，風(fēng)能資源得不到利用。此外同步發(fā)電機并網(wǎng)沖擊電流比較大，危險性高，現(xiàn)有的定速的同步發(fā)電機無法適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電的需求。在后續(xù)應(yīng)用中，籠型異步發(fā)電機組允許在小范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速變化，和風(fēng)輪透平的自適應(yīng)性良好，運行過程更加的安全和可靠。定槳距風(fēng)力發(fā)電機組采取的是單繞組雙速異步發(fā)電機，通過有效的采用之后，運行相對可靠，造價比較低，加上維修保養(yǎng)方便，比較適合并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電。在實際應(yīng)用中，籠型機的運行主要是電網(wǎng)或者外加補償電容器提供勵磁電流，由于功率比較低，電能質(zhì)量差，加上發(fā)電成本低，因此在整個實施過程中，定槳失速型風(fēng)力機無法順利運行。

1.3適合變槳距機組的變速雙饋異步發(fā)電機

近些年來我國的風(fēng)力發(fā)電取得突飛猛進的進展，到了21世紀(jì)后，風(fēng)力發(fā)電機的單機容量增加到兆瓦級和千兆瓦級，為了能進一步的提升風(fēng)能效率，變速驅(qū)動取代了以往的定速驅(qū)動，依據(jù)變速雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的應(yīng)用特點，在實施中，要通過技術(shù)的合理應(yīng)用，使其成為一種技術(shù)趨勢。其中雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組在風(fēng)速低于額定風(fēng)速的時候，電磁阻力轉(zhuǎn)距受到影響，在風(fēng)速高于額定風(fēng)速的時候，通過調(diào)節(jié)葉片槳距角限制風(fēng)力機，從風(fēng)中獲得過多的能量，避免機組超載。風(fēng)電機組采取的是變速驅(qū)動前風(fēng)輪形式，能變速運行。在較快的風(fēng)速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而提升了風(fēng)力機的運行效率[2]。

2.風(fēng)電機組發(fā)電機的未來發(fā)展趨勢

2.1風(fēng)機尺寸增加

近些年來，必須對風(fēng)機制造引起重視，實施階段的隱患問題多，因此要結(jié)合現(xiàn)狀適當(dāng)?shù)脑黾语L(fēng)機尺寸。發(fā)展大風(fēng)機的原始動力的目標(biāo)是獲得高海拔處的更多風(fēng)能，但是經(jīng)濟性和運輸問題等限制了風(fēng)機尺寸的進一步增加，從根本上限制了 風(fēng)機尺寸的理論依據(jù)是“平方-立方定律”，風(fēng)電機組的輸出功率和葉片的長度是二次方的關(guān)系，葉片質(zhì)量和長度等是三次方的關(guān)系，如果葉片尺寸增加，超出了風(fēng)機輸出功率，經(jīng)濟性隨之下降。要想提升風(fēng)機的經(jīng)濟性，要降低葉片長度和質(zhì)量間的比例關(guān)系。近些年來采取的是新型材料和技術(shù)，實現(xiàn)了比例關(guān)系。在具體發(fā)展中，要實現(xiàn)整機質(zhì)量和葉片長度的平方關(guān)系，提升整體經(jīng)濟效益[3]。

2.2風(fēng)輪合理設(shè)計

風(fēng)輪的合理化設(shè)計也是重點，在當(dāng)前預(yù)設(shè)過程中，風(fēng)輪合理采用，能捕捉風(fēng)能的設(shè)備。在實施中改進風(fēng)輪設(shè)計，從而提升風(fēng)機系統(tǒng)性，在當(dāng)前的風(fēng)輪創(chuàng)新設(shè)計中，采取符合要求的風(fēng)輪材料，通過各個方面技術(shù)的合理化采用，能提升風(fēng)機質(zhì)量，減輕了葉片的重量，降低荷載水平，此外采取抗載設(shè)計形式符合風(fēng)輪的設(shè)計需求[4]。

2.3葉片合理化設(shè)計

為了能增加葉片的掃風(fēng)面積，不能改變基礎(chǔ)設(shè)計，要通過各個方面的優(yōu)化設(shè)計，體現(xiàn)出葉片的設(shè)計優(yōu)勢。通過各個方面的合理預(yù)設(shè)之后，增加了結(jié)構(gòu)荷載。采取性能優(yōu)越的碳纖維葉片材料，能適當(dāng)?shù)目刂迫~片質(zhì)量，也對結(jié)構(gòu)荷載產(chǎn)生積極影響。但是在整個階段價格比較貴，“被動自減載荷葉片結(jié)構(gòu)”是一種新穎的設(shè)計理念，其原理是通過合成材料的獨特屬性來調(diào)整葉片的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，具體上而言，通過葉片負荷中的玻纖、碳纖鋪層設(shè)計之后，讓葉片產(chǎn)生材料誘導(dǎo)性，揮舞擺振或彎扭耦合變形效應(yīng)。當(dāng)葉片受瞬時風(fēng)載時，這種彎扭變形將改變?nèi)~片攻角，減少作用在葉片上的升力，從而被動地減少疲勞載荷。在進行預(yù)設(shè)的過程中，曲形葉片是另外一種實現(xiàn)揮舞擺振耦合效應(yīng)的方法，在此方法中，氣動載荷使葉片產(chǎn)生彎曲動作，葉片攻角隨著氣動載荷變化而改變[5]。

2.4抗載設(shè)計

在風(fēng)電機組設(shè)計中，抗載設(shè)計形式依托的是主動控制形式，在實施過程中，傳感器感應(yīng)轉(zhuǎn)子荷載，主動抑制荷載從風(fēng)輪到風(fēng)機其他部分的傳遞。通過優(yōu)化設(shè)計之后，不會改變系統(tǒng)本身的作用，在相同的容量下，提升了風(fēng)機容量的系數(shù)。在低風(fēng)速的增大風(fēng)輪面積設(shè)計中，優(yōu)化設(shè)計后能確保系統(tǒng)的平衡，從而獲得高容量系數(shù)[6]。

結(jié)語

在實際的風(fēng)力發(fā)電過程中，如何進行普及應(yīng)用是重點，風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中以發(fā)電機技術(shù)為基礎(chǔ)，通過合理化采用，圍繞著提高設(shè)備運行效率和可靠性進行，通過優(yōu)化管理，降低了設(shè)備制造的成本。近些年來，我國的風(fēng)力發(fā)電以及設(shè)備制造行業(yè)取得突出的進步，在具體發(fā)展中，必須以風(fēng)機核心技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)整機技術(shù)的有效應(yīng)用。

參考文獻

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