2.3直驅(qū)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

近幾年來，直接驅(qū)動技術(shù)在風(fēng)電領(lǐng)域得到了重視。這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用多極發(fā)電機(jī)與葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動的方式，從而免去了齒輪箱這一傳統(tǒng)部件，由于其具有很多技術(shù)方而的優(yōu)點，特別是采用永磁發(fā)電機(jī)技術(shù)，其可靠性和效率更高，處于當(dāng)今國際上領(lǐng)先地位，在今后風(fēng)電機(jī)組發(fā)展中將有很大的發(fā)展空間。德國在2003年上半年所安裝的風(fēng)力機(jī)中，就有40.9%采用了無齒輪箱系統(tǒng)。直驅(qū)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)多采用永磁同步發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu)，無需外部提供勵磁電源，提高了效率。其變速恒頻控制也是在定子電路實現(xiàn)的，把永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出變頻的交流電通過變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻的交流電，因此，變頻器的容量與系統(tǒng)的額定容量相同。

采用永磁發(fā)電機(jī)可做到風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接耦合，省去了齒輪箱，即為直接驅(qū)動式結(jié)構(gòu)，這樣可大大減少系統(tǒng)運行噪聲，提高可靠性。盡管由于直接耦合，永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，使發(fā)電機(jī)體積很大，成本較高，但由于省去了價格更高的齒輪箱，所以，整個系統(tǒng)的成本還是降低了。另外，電勵磁式徑向磁場發(fā)電機(jī)也可視為一種直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選擇方案，在大功率發(fā)電機(jī)組中，它的直徑大而軸向長度小。為了能放置勵磁繞組和極靴，極距必須足夠大，它的輸出交流電頻率通常低于50Hz，必須配備整流逆變器。

直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率高、極距小，況且永磁材料的性價比正得到不斷提升，應(yīng)用前景十分廣闊。

2.4混合式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不僅需要低速、大轉(zhuǎn)矩電機(jī)而且需要全功率變流器，為了降低電機(jī)設(shè)計難度，帶有低變速比齒輪箱的混合型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)得到實際應(yīng)用。這種系統(tǒng)可以看成全直驅(qū)傳動系統(tǒng)和傳統(tǒng)解決方案的一個折中。發(fā)電機(jī)是多極的，和直驅(qū)設(shè)計本質(zhì)上一樣的，但它更緊湊，相對來說具有更高的速度和更小的轉(zhuǎn)矩。

2.5其它

開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)和無刷爪極自勵發(fā)電機(jī)也可以用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。其中，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)為雙凸極電機(jī)，定子、轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，定子上設(shè)有集中繞組，轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、堅固，可靠性高。無刷爪極自勵發(fā)電機(jī)與一般同步電機(jī)的區(qū)別僅在于它的勵磁系統(tǒng)部分。其定子鐵心及電樞繞組與一般同步電機(jī)基本相同。由于爪極發(fā)電機(jī)的磁路系統(tǒng)是一種并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，所有各對極的磁勢均來自一套共同的勵磁繞組，因此與一般同步發(fā)電機(jī)相比，勵磁繞組所用的材料較省，所需的勵磁功率也較小。幾種變速恒頻控制方案的比較分析如表1所列。 表略

3離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

通常，離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量較小，均屬小型發(fā)電機(jī)組?？砂凑瞻l(fā)電容量的大小進(jìn)行分類，其大小從幾百W至幾十kW不等。自上世紀(jì)80年代初開始，中國的小型風(fēng)力機(jī)制造產(chǎn)業(yè)，在政府的支持下，尤其是內(nèi)蒙古自治區(qū)政府的大力扶植，得到了引人矚目的發(fā)展，十幾萬臺小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，為遠(yuǎn)離電網(wǎng)的農(nóng)牧民解決基本的生活用電，尤其是照明和收聽電臺廣播，作出了不開磨滅的貢獻(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計，在上世紀(jì)80年代初期，國內(nèi)有近百家小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造企業(yè)。隨著改革開放的不斷深化以及社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這些小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造企業(yè)經(jīng)過內(nèi)部的調(diào)整和外部的整合，根據(jù)中國農(nóng)村能源行業(yè)協(xié)會小型電源專委會的統(tǒng)計，到目前為止，全國有23家小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，2005年共生產(chǎn)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)32433臺，裝機(jī)容量為12020kW，產(chǎn)值8472萬元，利稅為993萬元。國內(nèi)生產(chǎn)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，單機(jī)容量從60W到30kW不等。

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)按照發(fā)電類型的不同進(jìn)行分類，可分為直流發(fā)電機(jī)型、交流發(fā)電機(jī)型。較早時期的小容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般采用小型直流發(fā)電機(jī)，在結(jié)構(gòu)上有永磁式及電勵磁式兩種類型。永磁式直流發(fā)電機(jī)利用永磁鐵提供發(fā)電及所需的勵磁磁通；電勵磁式直流發(fā)電機(jī)則是借助在勵磁線圈內(nèi)流過的電流產(chǎn)生磁通來提供發(fā)電及所需要的勵磁磁通。由于勵磁繞組與電樞繞組連接方式的不同，又可分為他勵與并勵（或自勵）兩種形式。

隨著小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展，發(fā)電機(jī)類型逐漸由直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣靼l(fā)電機(jī)。主要包括永磁發(fā)電機(jī)、硅整流自勵交流發(fā)電機(jī)及電容自勵異步發(fā)電機(jī)。其中，永磁發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)子無勵磁繞組，不存在勵磁繞組損耗，效率高于同容量的勵磁式發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子沒有滑環(huán)，運轉(zhuǎn)時更安全可靠；電機(jī)重量輕，體積小，工藝簡便，因此在離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中被廣泛應(yīng)用，但其缺點是電壓調(diào)節(jié)性能差。硅整流自勵交流發(fā)電機(jī)是通過與滑環(huán)接觸的電刷與硅整流器的直流輸出端相連，從而獲得直流勵磁電流。

但是由于風(fēng)力的隨機(jī)波動會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，從而引起發(fā)電機(jī)出口電壓的波動，這將導(dǎo)致硅整流器輸出直流電壓及發(fā)電機(jī)勵磁電流的變化，并造成勵磁磁場的變化，這樣又會造成發(fā)電機(jī)出口電壓的波動。因此，為抑制這種連鎖的電壓波動，穩(wěn)定輸出，保護(hù)用電設(shè)備及蓄電池，該類型的發(fā)電機(jī)需要配備相應(yīng)的勵磁調(diào)節(jié)器。電容自勵異步發(fā)電機(jī)是根據(jù)異步發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)運行時，電網(wǎng)供給的勵磁電流對異步感應(yīng)電機(jī)的感應(yīng)電動勢而言是容性電流的特性而設(shè)計的。即在風(fēng)力驅(qū)動的異步發(fā)電機(jī)獨立運行時，未得到此容性電流，須在發(fā)電機(jī)輸出端并接電容，從而產(chǎn)生磁場建立電壓。為維持發(fā)電機(jī)端電壓，必須根據(jù)負(fù)載及風(fēng)速的變化調(diào)整并接電容的數(shù)值。我國的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)業(yè)總體是在向好的方向展，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其于太陽能的互補系統(tǒng)在解決邊遠(yuǎn)地區(qū)無電問題上作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。它的功率比同類太陽能系統(tǒng)來得大，能為更多的負(fù)載提供電力，甚至小型生產(chǎn)性負(fù)載，它的價位更易為廣大農(nóng)牧民所接受，如果政府采用小風(fēng)電或風(fēng)光互補系統(tǒng)來解決農(nóng)村無電問題，則政府得投入將比相同功率的太陽能系統(tǒng)少得多。但是，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其行業(yè)在發(fā)展中也同樣面臨著困難和挑戰(zhàn)。這些困難和挑戰(zhàn)，既來自產(chǎn)業(yè)的內(nèi)部，也來自產(chǎn)業(yè)的外部環(huán)境。

4發(fā)展趨勢

隨著各國政策的傾斜和科技的不斷進(jìn)步，世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，表現(xiàn)出了廣闊的前景。未來數(shù)年世界風(fēng)力發(fā)展的趨勢可表現(xiàn)為：

4.1風(fēng)力發(fā)電從陸地向海面拓展

海面的廣闊空間和巨大的風(fēng)能潛力使得風(fēng)機(jī)從陸地移向海面成為一種趨勢。目前只有少數(shù)國家建立了海上風(fēng)電場，但預(yù)計今后幾年，歐洲的海上風(fēng)力發(fā)電將會大規(guī)模的起飛。

4.2新方案和新技術(shù)將不斷被采用

在功率調(diào)節(jié)方式上，變速恒頻技術(shù)和變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)將得到更多的應(yīng)用；在發(fā)電機(jī)類型上，控制靈活的無刷雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī)和設(shè)計簡單的永磁發(fā)電機(jī)將成為風(fēng)力發(fā)電的新寵；在勵磁電源上，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，新型變換器不斷出現(xiàn)，變換器性能得到不斷地改善；在控制技術(shù)上，計算機(jī)分布式控制技術(shù)和新的控制理論將進(jìn)一步得到應(yīng)用；在驅(qū)動方式上，免齒輪箱的直接驅(qū)動技術(shù)將更加吸引人們的注意。在技術(shù)上，經(jīng)過不斷發(fā)展，世界風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的逐漸形成了水平軸、三葉片、上風(fēng)向、管式塔的統(tǒng)一形式。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著電力電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)和材料技術(shù)的不斷發(fā)展，世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了飛速發(fā)展，主要體現(xiàn)在：

（1）單機(jī)容量不斷上升國單機(jī)容量為SMW的風(fēng)機(jī)己經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化運行階段；

（2）變槳距功率調(diào)節(jié)方式迅速取代定槳距功率調(diào)節(jié)方式國采用變槳距調(diào)節(jié)方式避免了定槳距調(diào)節(jié)方式中超過額定風(fēng)速發(fā)電功率將下降的缺點；

（3）變速恒頻方式迅速取代恒速恒頻方式國變速恒頻方式可通過調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速追蹤最大風(fēng)能，提高了風(fēng)力機(jī)的運行效率；

（4）無齒輪箱系統(tǒng)的直驅(qū)方式增多國去掉齒輪箱雖然提高了發(fā)電機(jī)的設(shè)計和制造成本，但有效地提高了發(fā)電系統(tǒng)的效率和可靠性。

4.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將更加個性化

適合特定市場和風(fēng)況的風(fēng)力機(jī)將被更多地推出，目前，德國的Repower公司己經(jīng)推出了這方面的產(chǎn)品。

4.4從事風(fēng)力發(fā)電的隊伍將近一步增大

隨著對風(fēng)力發(fā)電誘人前景的深入認(rèn)識和更多優(yōu)惠政策的出臺，更多的新成員將加入風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)。

5結(jié)語

變槳距風(fēng)力機(jī)的起動風(fēng)速較定槳距風(fēng)力機(jī)低，停機(jī)時傳動機(jī)械的沖擊應(yīng)力相對緩和。風(fēng)機(jī)正常工作時主要采用功率控制，對功率調(diào)節(jié)的速度取決于風(fēng)機(jī)槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度。在實際應(yīng)用中，隨著并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的增大，大型風(fēng)力機(jī)的單個葉片己重達(dá)數(shù)噸，操縱如此巨大的慣性體，并且響應(yīng)速度要能跟得上風(fēng)速變化是相當(dāng)困難的。事實上，如果沒有其他措施的話，只是通過變槳距來調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率對高頻風(fēng)速的變化仍然是無能為力的。因此，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，除了對槳葉進(jìn)行節(jié)距進(jìn)行控制外，還須通過控制發(fā)電機(jī)輸出功率來調(diào)節(jié)整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，使之在一定范圍內(nèi)能夠快速響應(yīng)風(fēng)速的變化，使風(fēng)力機(jī)的葉尖速比達(dá)到最佳，以捕獲最大的風(fēng)能。這就是近年來所發(fā)展的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。

比較來看，定槳距失速控制風(fēng)_t嚙[Z險C納力機(jī)機(jī)構(gòu)簡單，造價低，并具有較高的安全系數(shù)，利于市場競爭。但失速型葉片本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成型工藝難度也較大。隨著功率增大，葉片加長，所承受的氣動推力增大，葉片的失速動態(tài)特性不易控制，使制造更大機(jī)組受到限制。變槳距型風(fēng)力機(jī)能使葉片的節(jié)距角隨風(fēng)速而變化，從而使風(fēng)力機(jī)在各種工況下（起動、正常運轉(zhuǎn)、停機(jī)）按最佳參數(shù)運行。可使發(fā)電機(jī)在額定風(fēng)速以下的工作區(qū)段有較大的功率輸出，而在額定風(fēng)速以上的高風(fēng)速區(qū)段不超載，無需過大容量的發(fā)電機(jī)等。當(dāng)然，它的缺點是需要有一套比較復(fù)雜的變距調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在這兩種功率調(diào)節(jié)方案都在大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中得到了廣泛應(yīng)用。

目前中國風(fēng)電發(fā)展面臨兩個突出的問題，一是風(fēng)電發(fā)展規(guī)模迅速擴(kuò)大，形成巨大的市場空間；二是國產(chǎn)機(jī)組缺乏競爭力，進(jìn)口機(jī)組以壓倒的優(yōu)勢占領(lǐng)了中國風(fēng)電裝機(jī)的主要份額。因此，大型風(fēng)電機(jī)組的國產(chǎn)化是推動我國風(fēng)電持續(xù)發(fā)展的根本途徑。

作者簡介

李建林（1976～），男，中國科學(xué)院電工研究所博士后，研究方向為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。