風力發電機原理及風力發電技術

趙英慶

摘 要：世界能源發展面臨資源緊張、環境污染、氣候變化三大難題。我國也亟需調整能源結構、發展清潔能源。風力發電作為可再生能源，取之不盡用之不竭，是一項朝陽產業。本文主要從風力發電機原理及風力發電技術入手，分析了雙饋異步風力發電機與直驅永磁風力發電機的原理和特點，以及我國風力發電的現狀。

關鍵詞：風力發電 雙饋異步 直驅永磁 風能

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0025-02

風能作為自然界的清潔可再生能源，取之不竭用之不盡，蘊量極其豐富。過去人們用風車抽水、磨面，用風帆助力輪船啟航，而現在風力發電已越來越多的走進人們的視野，不僅因其清潔可再生，更重要的是當下能源的有限性和不可再生性、環境的污染加劇、氣候的升溫變化對人類的生存環境亮起了紅燈，這都決定了必須發展清潔能源。風能作為清潔能源之一，在我國擁有一定的發展基礎，隨著能源結構的不斷調整，風力發電將擁有廣闊的發展前景。風力發電正在世界上形成一股熱潮，因其燃料來源于大自然，不需人力就可以獲取，同時也不會產生輻射和空氣污染。風力發電在國外也很流行，在我國西部地區也大力提倡。風力發電利用的是自然能源，相對火電、核電等發電要更加綠色、環保。

1 風力發電機

風力發電機又稱風車，是將風能轉換為機械功的動力機械，機械功帶動轉子旋轉，最終輸出交流電的電力設備。廣義地說，風能也是太陽能，所以也被稱為風力發電機，是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質的熱能利用發電機，一般說來，3級風就有利用的價值。

風力發電的原理與傳統的風車類似，風力和風速帶動葉輪旋轉來收集風能，通過增速機加速葉輪旋轉的速度，從而實現發電機發電。但是單純依靠發電機并不能完成發電，而是一套整體的運行系統。

2 風力發電機類型

目前投入商業運行的并網發電機可分為定漿定速型和變漿變速型兩大類，裝機的發電機一般分為籠型異步發電機、繞線式雙饋異步發電機和永磁同步發電機三種。風力發電機組結構包括機艙、轉子葉片、軸心、低速軸、齒輪箱、高速軸及其機械閘、發電機、偏航裝置、電子控制器，液壓系統、冷卻元件、尾舵等。不同的風力發電機結構自然也不相同，該文重點研究雙饋異步風力發電機和直驅永磁發電機。

2.1 雙饋異步風力發電機

雙饋異步風力發電機是目前應用最為廣泛的風力發電機。主要由電機本體和冷卻系統兩部分組成，定子、轉子和軸承系統組成電機本體，冷卻系統分為水冷、空空冷和空水冷三種結構。

所謂雙饋，指的是有兩個能量流動的通道，雙端口饋電，即轉子和定子都參與勵磁，都可以發電，并且與電網有能量交換。變頻器在雙饋電機中必不可少，變頻器主要應用于變頻驅動技術，改變交流電動機工作電壓的頻率和幅度。在雙饋異步發電機中，定子繞組直接與電網相連，轉子繞組通過變頻器與電網連接，從而達到頻率與電壓成比例地改變，既改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，又使電動機的磁通保持一定，滿足用電負載和并網的要求。

在雙饋異步風力發電機中，變頻器是一個重要的組成部分，它主要由設備側變頻器、直流電壓中間電路、電網側變頻器、IGBT模塊、控制電子單元五部分組成。工作原理主要是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。應用于風力發電機的主要是交—直—交變頻器。是先將交流電經整流器轉化成直流電，再經過逆變器把直流電變成頻率和電壓都可變的交流電。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊在逆變整流的過程中發揮著重要作用，它雖然就是一個開關，卻是線路導通和關斷的關鍵環節。雙饋異步風力發電機是由風機拖動齒輪箱，再帶動發電機運行，齒輪箱可以變速1：100倍，以讓風機在1500RPM（最高轉速）下運行，目前流行的主要有1.25MW，1.5MW，2MW三種機型，異步發電機的機組單價低，1KW大概需6000元左右，而且技術成熟，國產化高。一對齒輪正確嚙合的條件是兩齒輪的模數和壓力角分別對等，而在實際操作過程中，齒輪嚙合不可避免的存在誤差，容易產生摩擦噪聲，所以也要定期檢查齒輪箱潤滑油供應是否充分。

在實際操作過程中發現，雙饋異步風力發電機因采用高速電機，具有體積小、重量輕，效率稿、價格低廉等優點，但同時由于增速齒輪箱結構復雜，容易疲勞損壞。

2.2 直驅永磁同步發電機

直驅，顧名思義直接驅動，是新型的電機直接和運動執行部分結合，即電機直接驅動機器運轉，沒有中間的機械傳動環節，直驅式風力發電機也稱無齒輪風力發電機。永磁，意為這種材料本身具有磁性，不是磁化得到的，一般不會退磁，永磁材料又稱"硬磁材料"。一經磁化即能保持恒定磁性的材料，具有寬磁滯回線、高矯頑力和高剩磁。直驅永磁同步發電機，采用多極電機與葉輪直接連接進行驅動的方式，免去齒輪箱這一傳統部件，同時增加磁極對數從而使得電機的額定轉速下降。眾所周知，齒輪箱是風力發電機組最容易出故障的部件，所以直驅永磁同步發電機的可靠性要高于雙饋異步風力發電機。葉輪吸收風能后轉化為機械能，通過主軸傳遞給發電機發電，發出的電通過全功率變流器之后過升壓變壓器上網。

因此，沒有齒輪箱的直驅永磁同步發電機，具有以下優點：省去了齒輪箱這一機械部件，傳動結構得到進一步簡化，傳動損耗大大降低，提高了機組的可靠性，提高了發電效率，在低風速環境下優勢更明顯；機組的零部件數量也同步減少，避免零部件損壞，降低了運行維護成本；同時也大大降低了摩擦噪聲，使設備性能更優，電網接入性能的優異也有利于電網的穩定運行。但同時也要看到，為了提高發電效率，發電機的極數非常大，噸位也相應更重，體積龐大，同時直驅永磁發電機的單價較貴，技術復雜。

通過分析得出，直驅永磁風力發電機與雙饋異步發電機相比優勢更明顯，是未來風電系統發展的一個重要方向，市場份額和占有率也會逐年增加，而且會成為海上風力發電機組的首選機型之一。隨著技術的日臻成熟，也必將在我國風電機組中愈發重要。縱觀風電機組現狀得出，直驅永磁風力發電機與雙饋異步風力發電機將并駕齊驅中國風電市場，成為我國風電市場上的兩大主流機型。

3 我國風力發電發展的現狀

煤炭是我國的主要能源之一，火力發電是目前我國主要的發電形式，但化石能源的不可再生性和污染性等等弊端已經危害到人類的生存和發展。提高清潔能源使用率、調整能源結構、發展可再生能源勢在必行。當今世界能源發展面臨著資源緊張、環境污染、氣候變化三大難題，解決這些難題，必須走清潔發展道路。而風力發電技術已基本成熟，具有可推廣可實施的可行性。

據國家能源局網數據分析，2015年上半年中國共有270個風電場項目開工吊裝，新增裝機共5474臺，裝機容量為1010萬千瓦，同比增長40.8%。其中，海上風電共裝機50臺，裝機容量16.6萬千瓦。從數據得出，我國風電發展勢頭強勁。

我國幅員遼闊，海岸線長，風能資源比較豐富。根據最新風能太陽能資源評估圖譜和數據，我國陸地70米高度平均風功率密度達到200瓦/平方米及以上等級的風能資源技術可開發量為50億千瓦，全國陸地太陽能資源理論儲量1.86萬億千瓦。主要分布在兩大風帶：一條是“三北（東北、 華北、 西北）地區豐富帶”，二是東部沿海風帶，另外內陸地區還有一些局部風能資源豐富區。

4 結語

我國風能資源如此豐厚，風力發電在我國有著廣闊的發展前景，在國家大力提倡清潔能源的大背景下，更要提高風電機組的制造技術，打造國產化風電裝備，同時做好風資源的測定和勘察工作，依托政策發展風電。面對全球化的環境污染和氣候難題，尋找清潔能源是必經之路，發展風電也必將是關鍵環節之一。

參考文獻

[1] 蔣宏春.風力發電技術綜述[J].機械設計與制造，2010（9）：250-251.

[2] 劉曉林.風力發電機主要種類及應用技術淺析[J].電器制造，2009（9）：18-20.