大型風力發電機的發展新動向?

王維慶，何 山，董新勝，郭 亮，陳 潔

(1.新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830049；2.可再生能源發電與并網技術教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊 830049；3.新疆電力科學研究院，新疆 烏魯木齊830011；4.新疆產品質量監督檢驗研究院，新疆烏魯木齊 830011)

0 引言

目前風力發電勢頭強勁，2020年全球風力發電裝機將達12.31億kW，年發電量3萬億kWh，風力發電量將占全球總發電量的12%.“十二五”期間，我國爭取使非化石能源在一次能源消費的比例達到11.4%，2020年這一數字將達15%.

風力發電機是能量轉換的重要部件，直驅永磁以及雙饋風力發電機是目前的主流機型.永磁直驅發電機轉子為永磁結構，結構簡單，省去了齒輪箱（半直驅式有速比較少的齒輪箱），機組采用全功率變流器；為適應低速旋轉而設計成餅狀，直徑較大；永磁體成本較高，高溫時存在退磁現象，應防止永磁體受到電樞磁場作用退磁.目前，永磁體已經可以回收再次利用，可降低部分電機的總價，但稀土作為一種稀缺資源，隨著國家政策的調整，價格波動會較大，一定程度影響此機型的價格和推廣.雙饋風力發電機有齒輪箱，體積較小，轉子功率可達總功率30%，功率便于控制，大型機的轉子電壓可達1kV以上，但轉子上易損壞的電刷、滑環結構阻礙了此種電機的發展，目前在向無刷方向發展（具有功率繞組和控制繞組兩套繞組），結構較復雜，尚在理論研究階段，無具體的工業產品.以上機型電壓多為690V，電壓低、電流大，需使用變壓器并網，發電機繞組結構和并網方式復雜，使用開關、母線、斷路器、互感器等部件多，效率低.

隨著材料工業的不斷進步，新型發電機也不斷涌現，其中能直接上網的高壓風力發電機，大容量超導風力發電機，液壓型風力發電機，無刷雙饋風力發電機等就是其中的佼佼者，它們結構新穎，并網方式特別、有獨特的優勢且具有良好發展應用前景.

1 高壓風力發電機

隨著絕緣材料的進步，新型高壓發電機發展也很快.ABB公司和保定天威風力發電公司簽署協議，開發高壓電機，可應用于傳統發電機和新型風力發電.高壓發電機采用交聯聚乙烯圓形電纜（XLPE）（見圖1）整根繞成，中間無接頭，電流小、電密低，損耗小，簡化了冷卻系統，采用二極管整流，發電機直接上網（見圖2），省去了變壓器、開關、母線、斷路器、互感器等部件，降低了有功損耗，發電機效率可提高0.5%～2.0%[1]，系統總效率可提高6%.

圖1 交聯聚乙烯圓形電纜（XLPE）結構

圖2 高壓風電機組直接上網原理圖

高壓發電機圓形截面電纜的導體中電場分布很均勻，無傳統矩形截面導體線棒角部電場集中問題，能可靠運行在10kV/mm或更高等級的電場強度環境；定子繞組感應電勢從中性點至線端逐漸升高，電場強度也隨長度增加而增大，電纜不同位置的絕緣厚度不同；電纜外半導體層接地（與定子鐵心槽壁直接接觸），其電位近似為零，易于控制端部電磁場，繞組的任何區域不存在局部放電和電暈的危險，也利于人身安全；采用特殊結構的三角形硅橡膠軟管熱固性材料固定繞組，減小振動[2].ABB公司開發了12kV（3-5MW）風力發電機，該技術可將風力機的功率提高到300MW以上.哈爾濱理工大學的戈寶軍團隊積極研發用于火電廠的高壓發電機，200kW、5kV模擬樣機完成了實驗測試，2MW、35kV樣機在設計中[3].

2 超導風力發電機

高溫超導電機用高溫超導體代替普通電機的銅線圈作為勵磁繞組，高溫超導材料有高載流能力（是相同截面銅導線的100～200倍），允許取消或部分取消電機鐵磁回路，有效工作磁場可達幾T，利于電機結構緊湊、體積和質量更小.現在的高溫超導材料最高臨界溫度約為130k.該技術用于風力發電，相同容量的發電機，重量可降低為常規電機的1/2～1/3；超導材料無損耗，銅耗可減少1/2，機械耗也可降低，效率高.超導電機同步阻抗低、噪聲低、諧波含量少、維護簡單、勵磁繞組不易產生熱疲勞.若體積重量不變，則高溫超導發電機容量可提高數倍，有效降低成本.高溫超導發電機在非額定負載下的效率較高，可在很寬的轉速范圍內有較高的效率.目前國內已經完成了100 kW等級高溫超導電動機樣機的研制，2007年北京英納超導技術公司開展了高溫超導風力發電項目的前期準備.

2007年3月，Converteam和Zenergy公司合作開發生產風力發電和小型水力發電用高溫超導發電機，設計的8MW（額定轉速為12 rpm）直驅式高溫超導風力發電機體積明顯小于常規電機，質量只有常規電機的1/4，發電成本可節約25%，現已完成了高溫超導線圈的制造、測試工作.

美國超導公司繼完成世界最大容量36.5MW高溫超導電動機研制后，2007年10月啟動了10MW海上直驅高溫超導風力發電機研制，開發高溫超導線材作勵磁繞組的發電機.轉子上用高溫超導線圈替代常規銅線圈，結合全新開發的高效定子設計，實現較常規發電機和變速箱系統體積小、質量輕、效率高.預期10 MW直驅式發電機質量約120 t（為同規格常規發電機的1/3），轉速在11 rpm下滿載運行.

高溫超導發電機應用于直驅式風力發電系統，技術上有一定的領先性，有助于掌握大容量直驅風力發電機組核心技術，促進我國風力發電產業及高溫超導應用技術研究實現跨越式發展[4].

3 液壓風力發電機

風力機將風能轉換成機械能，推動液壓泵，轉換成液壓能，流體傳遞能量，液壓能傳輸到變量馬達，馬達驅動勵磁同步發電機將液壓能轉換成電能.采用定量泵-變量馬達容積調速系統做主傳動系統，通過改變變量馬達的排量實現液壓傳動比時時可調，控制發電機工作于同步轉速，實現了勵磁同步發電機用于風電（見圖3）[5].

圖3 液壓傳動風力發電機原理框圖

用靜液壓傳動取代了齒輪箱剛性傳動，降低了齒輪箱傳動故障率；解決了永磁發電機體積大、用銅量高、成本高的問題；液壓傳動，實現傳動比實時可調，系統靈活性較高，可實現柔性控制，抑制風速波動對電能質量的影響；以準同期方式接入電網，具有電勵磁同步發電機的優點，可據電網需求調整功率因數，有較強的低電壓穿越能力.

針對液壓傳動特點，此機型一般選用雙葉片型，負載轉矩較低，風輪轉速較快，液壓油易滲漏，增加了定量泵等設備，涉及的控制策略較復雜：變轉速輸入下恒轉速輸出控制、發電機并網后功率控制、以最優功率追蹤為目的的風力機轉速主動控制等.

4 海上風力發電機

海上環境惡劣，高溫潮濕，鹽霧嚴重，霉菌易滋生，要求電機具有強抗腐蝕的能力，并具備良好的絕緣性能，滿足通風散熱及溫升水平.整機可采用國際品牌防腐涂裝，一些部件采用鋅鉻涂層、電鍍錫處理或不銹鋼材料；鐵心和繞組工作時發熱量較大，表面溫度高，為滿足良好的通風散熱，可在發電機頂部增加引風機，將鐵心熱量吸向空冷器，增加整個電機風路動力，且對電機整體結構及電氣性能影響不大.機組以及葉片和塔架等需具備抵御海上振動及載荷變化的能力，可靠性高，發電機便于安裝維護.傳統的發電機體積龐大，海上吊裝維護存在巨大困難，若采用高溫超導技術，重量可降低為常規電機的1/2～1/3，大大節約空間和體積，且電流密度較低，發熱很小，有很高的功率重量比，其所減少的成本包括支撐桅桿結構、地基、浮動系統和機組安裝等[6,7].

5 無刷雙饋風力發電機

無刷雙饋風力發電機兼備直驅永磁和雙饋風力發電機二者的優點(無電刷和滑環，無需全功率整流逆變器，無永磁體失磁的危險)，同時還避免了兩種發電機的缺點，易實現有功及無功功率的靈活控制，是一種較理想的風力發電機，具有很好的應用前景.

無刷雙饋電機（Brushless Doubly-Fed Machines，簡稱BDFM）是在自級聯異步電機基礎上發展來的異同步通用的新型交流調速電機，無電刷和滑環，使用小容量變頻器可實現電機的交流調速，可分為特殊籠型、磁阻型和繞線型三大類.其中繞線型的轉子接線較靈活，可通過合理設計提高兩種基波極對數的繞組系數，同時削弱甚至消除其他諧波，克服特殊籠型轉子的固有缺點，可望獲得更好的性能.

BDFM定子上有兩套不同極對數的繞組：功率繞組和控制繞組（見圖4）.功率繞組接工頻電源，控制繞組接變頻電源.兩套繞組產生的磁場在定子中不直接耦合，而是通過轉子間接耦合，轉子起著極數轉換器的作用.且根據其理論得到其轉速表達式如下所示[8～10]：

圖4 無刷雙饋風力發電機原理框圖

上式中，nr為轉子轉速，fp和fc分別為功率繞組和控制繞組的頻率，Pp和Pc分別為功率和控制繞組的極對數，控制頻率前面的符號與控制繞組的通電順序有關.當兩繞組的極對數和功率繞組的頻率確定后，其轉速就只與控制繞組的頻率有關，只要改變控制繞組的頻率就可實現BDFM的轉速調節；由于控制繞組的功率為功率繞組功率的Pc/(Pp+Pc)，流過定子控制繞組的功率僅為無刷雙饋發電機總功率的一小部分，因此雙向變頻器的容量也僅為發電機容量的一小部分，可大大降低成本[11,12].

以上采用無刷雙饋風力發電機的控制方案可實現變速恒頻控制，降低變頻器的容量，還可在矢量控制策略下實現有功、無功功率的靈活控制，對電網進行無功功率補償，同時發電機本身沒有滑環和電刷，既降低了發電機成本，又提高了系統運行可靠性.

以前對無刷雙饋電機的研究多是作為電動機狀態，發電運行狀態的研究還不多，控制較為復雜，很有必要進一步深入研究.

6 結語

高壓、超導風力發電機，簡化了電機自身結構及并網方式，提高了電壓，降低了銅耗，大大增加了功率密度，縮小了發電機的體積，降低了重量和造價；液壓發電機，取消了齒輪箱，控制策略上更加趨近于傳統的電勵磁發電機；海上發電機突出考慮海上環境的特殊性；無刷雙饋發電機綜合了直驅永磁和雙饋發電機的特點，結構簡便.在實際應用中，可根據實際的環境特點，把以上幾種發電機的優點加以充分綜合利用.總之，發電機繞組高電壓（低電流），整體結構簡單，節約材料，便于維護，運行可靠，控制方便，是未來大型風力發電機的發展趨勢，以上的幾種新型發電機引領著未來風力發電機的總體發展方向.