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国外直驱式风力发电机技术应用

导读: 风能作为一种洁净的可再生能源,随着技术逐步成熟,今后的运行成本会低于水电和火电,发展前景非常广阔。目前的风力发电机单机容量的不断增大, 变速恒频、变桨矩型风力机逐渐占据了主导地位。

  风能作为一种洁净的可再生能源,随着技术逐步成熟,今后的运行成本会低于水电和火电,发展前景非常广阔。目前的风力发电机单机容量的不断增大, 变速恒频、变桨矩型风力机逐渐占据了主导地位。齿轮箱是在目前MW级风力发电机组中过载和过早损坏率较高的部件,国外开始研制一种直接驱动型的风力发电机 组(亦称:无齿轮风力发动机),这种机组采用多级异步电机与叶轮直接连接进行驱动的方式,免去齿轮箱这一传统部件(结构特征见下图),具备低噪声、提高机 组寿命、减小机组体积、降低运行维护成本、较低的噪音、低风速时高效率等多种优点,在今后风力机发展中有很大的发展空间[1~4]。

  1995年美国纽约州的一家研究机构设计出一种新型可变磁阻发电机,即使风力发动机中的磁性装置取代了机械的齿轮箱。该设计的特点在于大量的极有一个比6个极造价还便宜的卷绕结构,可变磁阻电机的极结构能够承受万向操作而不需要提高造价[1]。

  2000年,加拿大M.eng. M. Dubois博士提出风力发电机中的齿轮箱置于电机和转子之间对部分工作负载的效率提高不利,而且较易受损耗,若使用一个和风力机转速相同的电机就可以免 去齿轮箱。事实上在水力电站应用直驱式低速旋转电机并不新鲜,然而应用于风力发电机则仍有一些问题需要研究,如University of Durham, Chalmers University of technology in Goteborg and Darmstadt University of Technology等高校研究了风力机中电机的合适重量;最适合的机型(同步、永磁、可变磁阻等型式)选择;电流和压力的波动所导致的最高扭矩密度;联 网用的变流器的选择;采取何种措施达到应有的噪音水平;在目前推荐使用由多个模块组成,方便运输,且某部件失效时仍可正常运行的电机的情况下,是否能设计 不含额外损耗的电机;永磁电机由于高效高扭矩密度而越来越多地被采用,这是否会导致过量的铁损耗,磁性材料的选择,如何磁化这些材料,在运行或失效的情况 下如何防止消磁状况[4]。

  1997年的风机力市场上出现了兼具无齿轮、变速变浆距等特征的风力机, 这些高产能、运行维护成本低的先进机型有E-33、E-48、E-70等型号,容量从330kW至2MW,由德国 ENERCON GmbH公司制造,它们的制造始于1992年[4]。2000年瑞典ABB公司研制成功了3MW的巨型可变速风力发电机组,其中包括永磁式转子结构的高压风力发电机Windformer,容量3MW、高约70m、风扇直径约90m[5,6]。2003年在Okinawa电力公司开始运行的MWT-S2000型风力机是日本三菱重工首度完全自行制造的2MW级风机,采用小尺寸的变速无齿轮永磁同步电机,新型轻质叶片[12]。下表为部分风力机制造商所申请的直驱式风力机的相关专利:

  可以发现,(直驱式)无齿轮风力发电机始于20多年前,却在近几年又重新引起研究人员的极大兴趣,积极将该技术应用于产品推向风力发电市场,德 国、美国、丹麦都是在该技术领域发展较为领先的国家。其中德国西门子公司开发的(直驱式)无齿轮同步发电机被安装在世界最大的挪威风力发电场,据称效率达 98%[15]。

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