風力發(fā)電機的技術現(xiàn)狀和發(fā)展前景

黃勇++熊躍

摘 要：伴隨經濟的發(fā)展和人口的膨脹，能源的需求量變得越來越大，因此而帶來的能源缺口以及環(huán)境污染問題日漸急迫。現(xiàn)在世界各國都在大力發(fā)展清潔能源，而風力發(fā)電是新能源發(fā)電技術中最成熟、最具大規(guī)模開發(fā)和最有發(fā)展前景的發(fā)電方式，以其安全性和清潔性近年來在國內外得以迅速發(fā)展，我國也進入了風電產業(yè)的跨越式發(fā)展的階段。風力發(fā)電涉及諸多技術分支，該文將著重探討風力發(fā)電中關鍵部件-風力發(fā)電機的技術現(xiàn)狀及展望其技術發(fā)展前景。

關鍵詞：風力發(fā)電機 技術 現(xiàn)狀 前景

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（c）-0077-01

我國在1995年頒布的《中華人民共和國電力法》和2006年頒布的《可再生能源法》中均明確提出國家鼓勵和支持利用可再生能源發(fā)電，這為風力發(fā)電的發(fā)展構建了一個比較完備的法律系統(tǒng)框架。尤其是自2006年以來，我國并接入網的風電量以85%的年均增長率逐步攀升，2012年6月我國一舉取代美國成為世界第一的風電大國，國家電網已成為全球風電接入規(guī)模最大的電網。隨后，國家能源局于2012年7月又發(fā)布了《風電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，提出我國到2015年風電并網裝機要達到1億 KW、2020年風電并網裝機要達到2億 KW的目標。可預見的是，在常規(guī)能源越來越緊缺，污染越來越嚴重，而能源需求卻越來越大的嚴峻背景下，如何加快實現(xiàn)節(jié)能減排目標、轉變經濟發(fā)展方式以及轉變對傳統(tǒng)能源的依賴，已經成為我國未來能源發(fā)展的主要基調。現(xiàn)有的可再生能源技術中，風力發(fā)電技術又最為成熟，我國幅員遼闊，風電產業(yè)的發(fā)展具備得天獨厚的條件，因此對風力發(fā)電中的關鍵技術-風力發(fā)電機技術的現(xiàn)狀及展望的研究就變得尤為重要。

1 技術現(xiàn)狀

風力發(fā)電機是風電系統(tǒng)中實現(xiàn)風能轉換為電能的核心部件，風力發(fā)電系統(tǒng)主要由風輪、齒輪箱、發(fā)電機、功率變換器、變壓器等部分構成。風力發(fā)電機在發(fā)展初期均采用小容量直流發(fā)電機，隨著風電機組向大型化方向發(fā)展，交流發(fā)電機已成為當今風力發(fā)電機的主要形式，如表1所示。

隨著風力發(fā)電技術的發(fā)展，風力發(fā)電機由早期的直流發(fā)電機、籠型異步發(fā)電機等演變?yōu)楫斍暗碾p饋異步發(fā)電機和低速直驅永磁同步發(fā)電機等。同時，風力發(fā)電機自身技術水平的提高，又有力地促進了風力發(fā)電整體技術的進步。例如，雙饋異步發(fā)電機及其控制技術的成熟，使變速恒頻風力發(fā)電得以實現(xiàn)，成為當前風力發(fā)電系統(tǒng)的主流。

若根據風力發(fā)電機的運行特征為標準，風力發(fā)電機又可分為恒速風力發(fā)電機（Fixed speed generator）、有限變速風力發(fā)電機（Limited variable speed generator）和變速風力發(fā)電機（Variable speed generator）。

2 技術發(fā)展前景

目前，國際上大型風力發(fā)電機組正朝著增大單機容量、減輕每單位容量的自重、提高轉換效率的方向發(fā)展。除了前述的各種發(fā)電機，各國研究人員從提高風力發(fā)電機組的效率和可靠性、降低大型發(fā)電機的制造難度等角度出發(fā)，還提出了其他一些具有商業(yè)化潛力的風力發(fā)電機。

以異步發(fā)電機為主流的發(fā)電機因其結構簡單、堅固耐用、價格便宜等優(yōu)點，被作為電動機廣泛使用，但其由于自身運行范圍窄、功率因數(shù)較低等缺點，發(fā)展空間有限；變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中的核心器件為雙饋異步風力發(fā)電機，該系統(tǒng)采用齒輪箱和雙饋異步風力發(fā)電機相結合的形式，但是齒輪箱的性能優(yōu)劣制約著整個發(fā)電系統(tǒng)的效率和安全，雙饋異步發(fā)電機需要使用電刷和滑環(huán)，這降低了系統(tǒng)的可靠性，也增加了制造和維護成本。

針對上述缺點，國外學者提出了永磁異步電機的概念，采用多極永磁同步發(fā)電機的直驅型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)省去了增速齒輪箱，避免了齒輪箱性能優(yōu)劣對整個系統(tǒng)的制約，在實際運行中提高了功率因數(shù)和發(fā)電效率，降低了維護成本，永磁異步電機具備廣闊的發(fā)展前景；另外，近年提出的無刷雙饋電機由于兼具了直驅式永磁同步發(fā)電機和雙饋異步風力發(fā)電機二者的優(yōu)點，在實際應用中越來越受到關注，顧名思義，無刷雙饋電機由于沒有電刷和滑環(huán)，使得其可特別有利地用作為風力渦輪發(fā)電機，這可以極大地避免在廣泛使用的雙饋感應發(fā)電機中由于電刷與滑環(huán)的問題所帶來的主要故障模式，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，研究表明無刷雙饋電機和雙階齒輪箱的組合具有優(yōu)異的可靠性且保持較低成本；例如雙凸極永磁電機（DSPM電機）、磁通切換永磁電機（FSPM電機）、定子內永磁電機（SIPM電機）等，其均保留了開關磁阻電機定轉子均為凸極、轉子既無繞組也無永磁體等結構簡單、堅固、可靠性高的優(yōu)點，又同時具備效率高、功率密度高、功率因數(shù)高等優(yōu)點，在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中應用前景廣闊。

風能是一種清潔的可再生能源，風力發(fā)電已經成為世界各國重點發(fā)展的能源之一，隨此而來的是風力發(fā)電機的制造業(yè)也成為新興的制造產業(yè)，勢必促進風力風電上下游產業(yè)的發(fā)展，也勢必促進風力發(fā)電機控制技術的更快發(fā)展。風力發(fā)電機與風力發(fā)電系統(tǒng)互為因果，共同發(fā)展，相互促進。近年來風力發(fā)電系統(tǒng)的容量不斷增大，風能領域新技術的快速發(fā)展，有力地促進了風力發(fā)電機的設計、制造、控制以及運行維護水平的提高，各種新型化的風力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，為實際應用提供了多種選擇。

3 結語

風力發(fā)電機的設計制造與諸多行業(yè)密切相關，風力發(fā)電機作為風力發(fā)電領域的關鍵技術點，進行探索非常必要。本文綜述了國內外風力發(fā)電機的發(fā)展概況，簡要介紹了風力發(fā)電機最新研究進展，但是風電技術的發(fā)展還存在著一定的問題，希望我們早日能夠攻克難關，為新能源的開發(fā)利用奠定重要的基礎。

（注：第二作者熊躍所做的貢獻與第一作者相同，但限于版面設計，被列為第二作者）

參考文獻

[1] 王宏華.風力發(fā)電機及其功率變換器的發(fā)展現(xiàn)狀[J].機械制造與自動化，2010（2）.

[2] 于建輝.我國風力發(fā)電的開發(fā)現(xiàn)狀綜述[J].電力學報，2013（5）.

[3] 程明，張運乾，張建忠.風力發(fā)電機發(fā)展現(xiàn)狀及研究進展，電力科學與技術學報，2009（3）.

[4] 錢俊良，張萌，馬尹樂，等.風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀研究綜述[J].變頻器世界，2013（10）.

[5] 婭倫，丁建國.風力發(fā)電項目現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].北方環(huán)境，2013（11）.

[6] 趙煒，李濤.國外風力發(fā)電機的現(xiàn)狀及前景展望[J].電力需求側管理，2009（2）.

[7] 王文飛，錢俊良，張萌，等.風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀研究綜述[J].變頻器世界，2013（10）.

[8] 魯珊珊，郭永.風力發(fā)電機轉速控制的發(fā)展現(xiàn)狀[J].農村牧區(qū)機械化，2009（2）.

[9] 王成富.風力發(fā)電研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢探討[J].低碳世界，2013（21）.endprint