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无刷励磁直驱机电机变频大型风力发电技术

2012-07-18 17:28
蓝林笑生
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        一、大型风力发电机技术概述

  风能的特点是能源稀薄、随机性大.风向、风力变化无常,而风机又必须安装在野外空旷多风地带,造成了风力发电机不同于其它电网发电机的特殊性。风力发电中的发电机,处于将机械能转变为电能的能源转换枢纽环节,不同的发电机形成不同的发电模式,产生不同质量的电能.对整个机组的能源效率、机电可靠性、电网容纳度等指标有着相当大的影响,是风力发电的核心技术之一。

  发电机种类对整个机组的制造成本、系统性价比。更有着重大影响。首先,不同发电机本身的制造难度、成本差异明显;其次,不同发电机对控制系统的配置不同、所配变频器功率容量、技术要求不一样,更使成本相差悬殊;另外,采用不同的发电机影响到塔顶机舱的总重量,对塔架、基础的成本,对大件运输和安装的成本,均有不同程度的影响;再加上同发电机的发电质量对电网和供电的间接成本响应也不一样,从而都影响到整个发电系统的经济性,使风力发电机技术方案的选择成为影响风力发电场度电成本的重要因素。

  一个颇令人深思的现实是,风力发电机在不同时期曾分别由永磁同步发电机、电励磁同步发电机、笼型异步发电机、双馈异步发电机四大不同机种担纲主角,在不同场合和容量中,在不断改进和完善中,在相互发展和超越中,经过比较和争夺,发挥各自优势,克服它者缺陷,此消彼长……直至今天,尚难分高下,而不像电网发电机那样一直单纯地由电励磁同步发电机唱独角戏。

  笼型异步发电机结构最简单,叶尖制动失速型恒速机组曾在上世纪80一90年代成为主流机型。发电机实际结构类同于大量采用的感应异步电动机,是利用超同步运行的电动机处于发电状态,将机械能转化为有功电能反馈给电网达到发电的目的,由于电机中有功转差功率耗散在转子中,转差率必须控制在I%内,不能太大,所以笼型异步发电机只适用恒速风力发电.此外该机种还必须由电网提供无功励磁,所以功率因数低,不利于电网电压稳定.目前已被发电量更高的变桨变速恒频机种所淘汰。

  电励磁同步发电机在风电系统中,属于先进的变速恒频发电技术,其风能截获率高,电压易于随转速变化而加以调节稳压。而需要全功率的变频器.有电刷滑环,加上其庞大体积、重量和机组造价高于异步机,成为其显著的缺陷。

  双馈异步发电机属于第二类变速恒频发电机种,且只需约1/3功率容量的变频器,所以机组成本较低、性价比高,是当今的主流机型.国内和国际上许多厂家生产该机型的大型风机。美中不足的是该机种存在低电压穿越的固有缺陷,对电网稳定的支持能力差;而对齿轮箱的依赖又令其很难实现无齿轮箱直驱。

  永磁同步发电机也属于变速恒频发电技术.与电励磁同步机相比,转子上无励磁绕组,因此不存在励磁绕组铜损耗,比同容量的电励磁式发电机效率高;转子上没有滑环,运转时更安全可靠;电机的重量轻、体积小、制造工艺简便,因此在小型及微型风力发电机中被广泛采用,永磁发电机的缺点是电压调节性能差((I)。但永磁同步机在大型低速直驱风机中.制造工艺要求高,制造成本比电励同步机高;加上电压调节能力差,需要全功率变频器,成为推广应用的重大障碍。

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