风力发电机原理及风力发电技术概论

刘剑

国投新疆新能源有限公司 新疆 乌鲁木齐 830013

摘要:世界能源发展面临资源紧张、环境污染、气候变化三大难题。我国也亟需调整能源结构、发展清洁能源。风力发电作为可再生能源,取之不尽用之不竭,是一项朝阳产业。本文主要从风力发电机原理及风力发电技术入手,分析了双馈异步风力发电机与直驱永磁风力发电机的原理和特点,以及我国风力发电的现状。

关键词:风力发电；双馈异步；直驱永磁；风能

风能作为自然界的清洁可再生能源,取之不竭用之不尽,蕴量极其丰富。过去人们用风车抽水、磨面,用风帆助力轮船启航,而现在风力发电已越来越多的走进人们的视野,不仅因其清洁可再生,更重要的是当下能源的有限性和不可再生性、环境的污染加剧、气候的升温变化对人类的生存环境亮起了红灯,这都决定了必须发展清洁能源。风能作为清洁能源之一,在我国拥有一定的发展基础,随着能源结构的不断调整,风力发电将拥有广阔的发展前景。风力发电正在世界上形成一股热潮,因其燃料来源于大自然,不需人力就可以获取,同时也不会产生辐射和空气污染。风力发电在国外也很流行,在我国西部地区也大力提倡。风力发电利用的是自然能源,相对火电、核电等发电要更加绿色、环保。

1. 风力发电机

风力发电机又称风车,是将风能转换为机械功的动力机械,机械功带动转子旋转,最终输出交流电的电力设备。广义地说,风能也是太阳能,所以也被称为风力发电机,是一种以太阳为热源,以大气为工作介质的热能利用发电机,一般说来,3级风就有利用的价值。风力发电的原理与传统的风车类似,风力和风速带动叶轮旋转来收集风能,通过增速机加速叶轮旋转的速度,从而实现发电机发电。但是单纯依靠发电机并不能完成发电,而是一套整体的运行系统。

2. 风力发电机类型
   1. 双馈异步风力发电机

双馈异步风力发电机是目前应用最为广泛的风力发电机。主要由电机本体和冷却系统两部分组成,定子、转子和轴承系统组成电机本体,冷却系统分为水冷、空空冷和空水冷三种结构。所谓双馈,指的是有两个能量流动的通道,双端口馈电,即转子和定子都参与励磁,都可以发电,并且与电网有能量交换。变频器在双馈电机中必不可少,变频器主要应用于变频驱动技术,改变交流电动机工作电压的频率和幅度。在双馈异步发电机中,定子绕组直接与电网相连,转子绕组通过变频器与电网连接,从而达到频率与电压成比例地改变,既改变频率的同时控制变频器输出电压,又使电动机的磁通保持一定,满足用电负载和并网的要求。

在双馈异步风力发电机中,变频器是一个重要的组成部分,它主要由设备侧变频器、直流电压中间电路、电网侧变频器、IGBT模块、控制电子单元五部分组成。工作原理主要是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。应用于风力发电机的主要是交—直—交变频器。是先将交流电经整流器转化成直流电,再经过逆变器把直流电变成频率和电压都可变的交流电。IGBT(绝缘栅双极型晶体管)模块在逆变整流的过程中发挥着重要作用,它虽然就是一个开关,却是线路导通和关断的关键环节。双馈异步风力发电机是由风机拖动齿轮箱,再带动发电机运行,齿轮箱可以变速1:100倍,以让风机在1500RPM(最高转速)下运行,目前流行的主要有1.25MW,1.5MW,2MW三种机型,异步发电机的机组单价低,1KW大概需6000元左右,而且技术成熟,国产化高。一对齿轮正确啮合的条件是两齿轮的模数和压力角分别对等,而在实际操作过程中,齿轮啮合不可避免的存在误差,容易产生摩擦噪声,所以也要定期检查齿轮箱润滑油供应是否充分。

在实际操作过程中发现,双馈异步风力发电机因采用高速电机,具有体积小、重量轻,效率稿、价格低廉等优点,但同时由于增速齿轮箱结构复杂,容易疲劳损坏。

2.2直驱永磁同步发电机

直驱,顾名思义直接驱动,是新型的电机直接和运动执行部分结合,即电机直接驱动机器运转,没有中间的机械传动环节,直驱式风力发电机也称无齿轮风力发电机。永磁,意为这种材料本身具有磁性,不是磁化得到的,一般不会退磁,永磁材料又称"硬磁材料"。一经磁化即能保持恒定磁性的材料,具有宽磁滞回线、高矫顽力和高剩磁。直驱永磁同步发电机,采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式,免去齿轮箱这一传统部件,同时增加磁极对数从而使得电机的额定转速下降。众所周知,齿轮箱是风力发电机组最容易出故障的部件,所以直驱永磁同步发电机的可靠性要高于双馈异步风力发电机。叶轮吸收风能后转化为机械能,通过主轴传递给发电机发电,发出的电通过全功率变流器之后过升压变压器上网。

因此,没有齿轮箱的直驱永磁同步发电机,具有以下优点:省去了齿轮箱这一机械部件,传动结构得到进一步简化,传动损耗大大降低,提高了机组的可靠性,提高了发电效率,在低风速环境下优势更明显;机组的零部件数量也同步减少,避免零部件损坏,降低了运行维护成本;同时也大大降低了摩擦噪声,使设备性能更优,电网接入性能的优异也有利于电网的稳定运行。但同时也要看到,为了提高发电效率,发电机的极数非常大,吨位也相应更重,体积庞大,同时直驱永磁发电机的单价较贵,技术复杂。

通过分析得出,直驱永磁风力发电机与双馈异步发电机相比优势更明显,是未来风电系统发展的一个重要方向,市场份额和占有率也会逐年增加,而且会成为海上风力发电机组的首选机型之一。随着技术的日臻成熟,也必将在我国风电机组中愈发重要。纵观风电机组现状得出,直驱永磁风力发电机与双馈异步风力发电机将并驾齐驱中国风电市场,成为我国风电市场上的两大主流机型。

3.我国风力发电的发展趋势

风能作为清洁能源，已经成为全世界关注的焦点。发展风力发电已经成为发电的发展方向，我国风电发展方向是在逐步解决存在问题时，着重关注以下几点：（1）以点带面重点发展风能发达地区，重点发展沿海城市及平原戈壁等风能发达地区，最大程度的利用风能发电，做到投入设备最大程度的返回经济效益；（2）借鉴光伏储能技术，研发风能储能技术，解决风能不发达地区风能发电问题，也可以使得风能发电与用电量相匹配，增加风电经济性；（3）风电设备单机容量呈大型化发展，变速恒频直驱永磁同步发电机将成为主流；（4）建立健全可再生能源发展政策，由政府方面促进风能在我国的研发速度，加快技术发展；（5）风电企业商业化发展速度加快，呈产业化发展。

结语

风能作为清洁能源之一，是我国能源发展的新兴产业，近年来，我国风力发电技术和应用范围逐年增加，技术人员专业水平不断发展，国家能源政策进一步建立和完善，都为我国风电产业的发展创造了良好的环境。本文探讨了我国风能发展现状、存在问题及发展趋势，我国还需要在技术方面，要继续加快我国风能领域的自主创新，使风能形成产业化发展，为我国风力发电的绿色发展提供可持续的良性发展条件。

参考文献

[1]周双喜，鲁宗相.风力发电与电力系统[M].北京：中国电力出版社，2016.

[2]贺益康，胡家兵，徐烈.并网双馈异步风力发电机运行控制[M].北京：中国电力出版社，2016