導語：風力發(fā)電的技術經濟探索一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

本文作者：胡明旭王維華工作單位：哈電集團現(xiàn)代制造服務產業(yè)有限責任公司

1風電設備型式的演化

齒輪箱存在的主要問題是噪聲、磨損、功率損耗、維修、油污等,特別是在高達百米的高塔上作業(yè),頻繁地進行維修、更換部件,使廠家不堪承受,目前尚無保證其壽命的成熟技術。然而,為了達到更高的速比,使用多級齒輪箱更適宜。單級齒輪箱的速比選為6,齒輪箱功率損耗與速度成比例,三級齒輪箱損耗功率是額定功率的3%,單級是額定功率的1.5%。從1991年開始,推出無齒輪箱發(fā)電機系統(tǒng),即所謂的直驅式發(fā)電機,主要是為了避免齒輪箱故障和減少維護量。為了和電網聯(lián)接,這種風電設備還需要一個全功率電力電子變流器。然而配套的低轉速、高轉矩發(fā)電機和全功率變流器是相當貴的,因此,那時大多數(shù)采用直驅式直流或交流電勵磁的發(fā)電機,后來推出永磁鋼勵磁,從而消除了勵磁損耗。為了增加功率和降低轉速,直驅式發(fā)電機變得越來越大和更加昂貴,為此提出了采用一個單級齒輪箱(速比為6或者更高)的裝置,這一系統(tǒng)雖然仍有帶齒輪箱、直驅式系統(tǒng)昂貴的發(fā)電機及全功率變流器等缺點,但與直驅式系統(tǒng)相比,它可以使發(fā)電機成本降低,效率提高。這個系統(tǒng)發(fā)電機的轉矩仍然相當高,轉速相當?shù)?擁有一個大的直徑和氣隙,就有大的勵磁電流和高的損耗。然而,變流器的額定容量可以降到30%,從成本和效率方面占有優(yōu)勢。這種單級齒輪箱的使用,使得整機外形尺寸顯著縮小。

2風輪機特性

2.1功率P=(1/2)QCr2v3(1)式中:P為功率,MW;Q為空氣密度,kg/m3;r為轉輪半徑,m;v為風速,m/s;C為功率系數(shù),即空氣動力效率,%;d為葉尖速比,葉尖周速/風速;a為槳葉節(jié)距角。2.2主要參數(shù)以P=3MW,額定轉速為15r/min,額定風速v=12m/s,平均風速…v=7m/s,轉輪直徑為90m,最優(yōu)葉尖速比8,最大空氣動力效率(轉輪)為48%,空氣密度Q=1.225kg/m3為例進行結構布置方案對比。

3結構布置方案對比

研究了五種風力發(fā)電機系統(tǒng),即帶三級齒輪箱的異步發(fā)電機、直流電勵磁的直驅式同步發(fā)電機、直驅式永磁發(fā)電機、帶單級齒輪箱的永磁發(fā)電機以及帶單級齒輪箱的異步發(fā)電機,其主要技術經濟指標見表1。3.1帶三級齒輪箱的異步發(fā)電機極對數(shù)選擇3,轉速為1000r/min,齒輪箱增速比為80,發(fā)電機的額定轉速為1200r/min,氣隙4.2mm,鐵心長0.75m。這個系統(tǒng)中齒輪箱的損耗是主要的,大約占總損耗的70%。3.2直驅式直流勵磁同步發(fā)電機從電磁觀點考慮,大氣隙尺寸更好,但是機械設計、結構和運輸更加困難。5mm的氣隙尺寸是折中方案。兩極電機,每極每相槽數(shù)是2。這個值增加時使發(fā)電機更重更貴,這是因為增加了端部繞組和軛部的尺寸。這個值減少時將導致勵磁損耗明顯增加,特別是在部分負載時。這個系統(tǒng)損耗主要是定、轉子中的銅損。使用更多的材料可以降低銅損,但發(fā)電機變得更加昂貴。鐵耗是小的,低于系統(tǒng)年損耗的5%。使用損耗大的疊片鐵心結構幾乎不影響性能。3.3直驅式永磁同步發(fā)電機氣隙本身尺寸選擇為5mm,也是折中方案(原因同上)。發(fā)電機采用4極,與/直勵-同步0方案相比,極數(shù)加倍,這是為了減少去磁作用,減少軛部和端部繞組的尺寸。由于使用了永磁鐵,并不像/直勵-同步0那樣會增大勵磁損耗。發(fā)電機結構成本比電流勵磁發(fā)電機更小。變流器的損耗是其中最大的損耗。鐵耗不能被忽略,在風速達到8m/s時,其損耗比銅耗大,并且發(fā)電機系統(tǒng)中超過15%年損耗是鐵耗。3.4帶單級齒輪箱的永磁發(fā)電機盡管帶單級齒輪箱的異步發(fā)電機的速度比直驅式發(fā)電機高出很多,90r/min的額定速度還是有些低,因此發(fā)電機還是被造成大直徑的環(huán)形電機。定子與轉子之間的氣隙選為3.6mm,以消除最重要的運輸問題。在這個系統(tǒng)中,變流器和齒輪箱中的損耗是主要的。額定速度下發(fā)電機的鐵耗與銅耗處于相同的數(shù)量級,這是由于采用84Hz的高頻率造成。3.5帶單級齒輪箱的異步發(fā)電機氣隙為3.6mm,額定轉速是90r/min(異步發(fā)電機本身是75r/min),極對數(shù)是40,每極每相槽數(shù)是2。在籠型異步發(fā)電機中,這將導致大的附加損耗,但是在繞線式轉子異步發(fā)電機中,這是可以接受的。由于相當大的氣隙和高的極對數(shù),勵磁電流相當大。為了使勵磁電流減小到一個可接受的水平,槽是半閉口的,氣隙可取2mm,這就需要有一個高剛度的軸承和支持結構。

4結語

通過上述分析得出以下結論:(1)帶有3級齒輪箱的轉子交流勵磁異步發(fā)電機是最輕的,在商業(yè)上的應用很廣。然而因為它采用由銅和鐵心組成的標準部件,它的齒輪箱損耗很高,效率很低,進一步改進會受到限制。(2)大型直驅式轉子直流勵磁的同步發(fā)電機,但它是最重、最貴的。#142#(3)永磁同步發(fā)電機是另一種無齒輪箱直接驅動式發(fā)電機。對于相同的氣隙尺寸,發(fā)電機有效消耗的材料的質量接近減半,而效率卻能提高幾個百分點,它有最高的能量輸出。與帶齒輪箱的發(fā)電機系統(tǒng)相比,它就比較貴。但應注意到,永磁鐵和電力電子元件的成本正在降低,發(fā)電機系統(tǒng)正在優(yōu)化,如果帶上簡單的一級齒輪箱,成本可被削減。(4)依據(jù)單位成本的年輸出電量看,帶簡單的一級齒輪箱的轉子交流勵磁異步發(fā)電機是最好的選擇,性價比最高,其變流器容量小,損耗和成本都被削減。(5)進一步提高風力發(fā)電裝置可靠性和可利用率是重要的課題,尤其對那些海上風力機。采用標準產品的發(fā)電機和變流器,在標準化、成本和可靠性方面會有好處。(6)只要有諸如齒輪箱和電刷之類的易磨損器件,就會帶來麻煩。使用直流勵磁的同步發(fā)電機,由于采用了全容量變流器,改進了可靠性,消除了因電網事故產生的電壓擾動問題,可能是最好的方案。它沒有電刷和齒輪箱,卻需配置全容量變流器。(7)定子線圈采用超高壓新技術的大型永磁發(fā)電機已成功運行,它可以直接并網而不需要經過變壓器,也不用齒輪箱和電刷之類的易磨損器件,設備的簡化使電力系統(tǒng)降低了成本,節(jié)省了投資,減輕了維護,提高了經濟效益。按照國際標準進行評估的結果還證明,它對環(huán)境的危害大幅度減少,較高的經濟性能和環(huán)保優(yōu)勢使其前景看好。