風電機組發電機的技術發展和展望初探

韓建華

摘 要：風電機組的發電機性能對整個機組的運行有一定的影響，如何提升機組運行的可靠性和發電效率是重點。發電機的成本比較高，決定了整個機組的性價比，不同的發電機對控制系統的配置不同，同時配備的變頻速率和技術要求不一樣。發電機的體積和重量等影響到塔架和基礎建設成本，因此在實施中必須做好發電機選擇工作。本次研究中以風電機組發電機技術特點為基礎，探究未來發展趨勢。

關鍵詞：風電機組;發電機;技術發展

近些年來風電產業取得突出的進步，成為全球的主力電源。風電技術形式是發展比較快的能源技術，尤其是風電機組本身，在20世紀90年代定槳距恒速技術發展到今天的變槳

距變速技術，單機容量也從300kW增大到3 MW，海上風機最大單機容量已達到10MW。在氣候變化和能源需求的壓力下，風電繼續保持高速發展趨勢，結合全球風能的管理情況，到2030年，全球風電裝機達到8.3億千瓦。

1.風電技術中出現的各種發電機組

風電機組的發電技術形式隨著風電技術的發展逐漸改進的，在風電發展的初期，風電機組采取的是比較簡單的直流發電機，直流發電機的造價比較高，在整個施工過程中，采取的是換向器和電刷，最大的特點是比較穩定，保養和維修難度大。近些年隨著電力技術的不斷發展，風電機組中的直流發電機很快被交流發電機取代。在并網風電技術實施之后，定槳距風力發電機組采取的是雙速異步發電機，其中變槳距風力機組出現之后采取的是變速雙饋異步發電機。

1.1早期的同步電機

早期的風力發電機組單機容量小，多數采取的是幾十瓦到幾千瓦的勵磁式或者永磁式的發電機。永磁式的發電機效率比較高，運行更為安全和可靠。此外電機的重量輕，體積小，運行起來安全可靠。在實際應用中，輸出電壓調節相對比較困難，其中勵磁式同步發電機，采取的是勵磁式電流的方式調節，能調整發電機輸出電壓，輸出電壓相對而言比較穩定，但是發電機需要采取電刷滑環，可靠性差，養護的整體成本高[1]。

1.2適合定槳距機組的雙速異步發電機

在當前的風力發電機的實際應用中，如何實現電機功率的調整是重點。在實施中，并網運行成為大規模風力發電的主流趨勢，在整個過程中，采取的是同步發電機并網運行，在風機轉速達到規定的要求后，向電網送電，風能資源得不到利用。此外同步發電機并網沖擊電流比較大，危險性高，現有的定速的同步發電機無法適應風力發電的需求。在后續應用中，籠型異步發電機組允許在小范圍內轉速變化，和風輪透平的自適應性良好，運行過程更加的安全和可靠。定槳距風力發電機組采取的是單繞組雙速異步發電機，通過有效的采用之后，運行相對可靠，造價比較低，加上維修保養方便，比較適合并網型風力發電。在實際應用中，籠型機的運行主要是電網或者外加補償電容器提供勵磁電流，由于功率比較低，電能質量差，加上發電成本低，因此在整個實施過程中，定槳失速型風力機無法順利運行。

1.3適合變槳距機組的變速雙饋異步發電機

近些年來我國的風力發電取得突飛猛進的進展，到了21世紀后，風力發電機的單機容量增加到兆瓦級和千兆瓦級，為了能進一步的提升風能效率，變速驅動取代了以往的定速驅動，依據變速雙饋異步風力發電機的應用特點，在實施中，要通過技術的合理應用，使其成為一種技術趨勢。其中雙饋異步風力發電機組在風速低于額定風速的時候，電磁阻力轉距受到影響，在風速高于額定風速的時候，通過調節葉片槳距角限制風力機，從風中獲得過多的能量，避免機組超載。風電機組采取的是變速驅動前風輪形式，能變速運行。在較快的風速范圍內保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而提升了風力機的運行效率[2]。

2.風電機組發電機的未來發展趨勢

2.1風機尺寸增加

近些年來，必須對風機制造引起重視，實施階段的隱患問題多，因此要結合現狀適當的增加風機尺寸。發展大風機的原始動力的目標是獲得高海拔處的更多風能，但是經濟性和運輸問題等限制了風機尺寸的進一步增加，從根本上限制了 風機尺寸的理論依據是“平方-立方定律”，風電機組的輸出功率和葉片的長度是二次方的關系，葉片質量和長度等是三次方的關系，如果葉片尺寸增加，超出了風機輸出功率，經濟性隨之下降。要想提升風機的經濟性，要降低葉片長度和質量間的比例關系。近些年來采取的是新型材料和技術，實現了比例關系。在具體發展中，要實現整機質量和葉片長度的平方關系，提升整體經濟效益[3]。

2.2風輪合理設計

風輪的合理化設計也是重點，在當前預設過程中，風輪合理采用，能捕捉風能的設備。在實施中改進風輪設計，從而提升風機系統性，在當前的風輪創新設計中，采取符合要求的風輪材料，通過各個方面技術的合理化采用，能提升風機質量，減輕了葉片的重量，降低荷載水平，此外采取抗載設計形式符合風輪的設計需求[4]。

2.3葉片合理化設計

為了能增加葉片的掃風面積，不能改變基礎設計，要通過各個方面的優化設計，體現出葉片的設計優勢。通過各個方面的合理預設之后，增加了結構荷載。采取性能優越的碳纖維葉片材料，能適當的控制葉片質量，也對結構荷載產生積極影響。但是在整個階段價格比較貴，“被動自減載荷葉片結構”是一種新穎的設計理念，其原理是通過合成材料的獨特屬性來調整葉片的結構性質，具體上而言，通過葉片負荷中的玻纖、碳纖鋪層設計之后，讓葉片產生材料誘導性，揮舞擺振或彎扭耦合變形效應。當葉片受瞬時風載時，這種彎扭變形將改變葉片攻角，減少作用在葉片上的升力，從而被動地減少疲勞載荷。在進行預設的過程中，曲形葉片是另外一種實現揮舞擺振耦合效應的方法，在此方法中，氣動載荷使葉片產生彎曲動作，葉片攻角隨著氣動載荷變化而改變[5]。

2.4抗載設計

在風電機組設計中，抗載設計形式依托的是主動控制形式，在實施過程中，傳感器感應轉子荷載，主動抑制荷載從風輪到風機其他部分的傳遞。通過優化設計之后，不會改變系統本身的作用，在相同的容量下，提升了風機容量的系數。在低風速的增大風輪面積設計中，優化設計后能確保系統的平衡，從而獲得高容量系數[6]。

結語

在實際的風力發電過程中，如何進行普及應用是重點，風力發電領域中以發電機技術為基礎，通過合理化采用，圍繞著提高設備運行效率和可靠性進行，通過優化管理，降低了設備制造的成本。近些年來，我國的風力發電以及設備制造行業取得突出的進步，在具體發展中，必須以風機核心技術為基礎，實現整機技術的有效應用。

參考文獻

[1]楊培文，李洪濤，楊錫運，張悅超.風電機組技術現狀分析及未來發展趨勢預測[J].電力電子技術，2020，54（03）：79-82.

[2]馮江華.風電變流器的技術現狀與發展[J].大功率變流技術，2013（03）：5-11+34.

[3]張永明，史偉偉.風力發電機低電壓穿越技術發展現狀[J].電機與控制應用，2012，39（07）：6-11.

[4]高輝.大容量風電機組技術發展動態研究[J].風能，2012（07）：66-72.

[5]楊思韞.大型風電機組技術發展趨勢及展望[J].中國電業（技術版），2012（05）：64-68.

[6]於岳亮.風電機組發電機的技術發展和展望[J].電力與能源，2011，32（04）：325-328+334.