浅谈风力发电机原理及风力发电技术

浅谈风力发电机原理及风力发电技术

徐威

（南瑞集团公司（国网电力科学研究院）国电南瑞科技股份有限公司江苏省南京市210000）

摘要：文章主要从风力发电机原理及风力发电技术入手，分析了双馈异步风力发电机与直驱永磁风力发电机的原理和特点，以及我国风力发电的现状。

关键词：风力发电；双馈异步；直驱永磁；风能

1风力发电机

风力发电机又称风车，是将风能转换为机械功的动力机械，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。广义地说，风能也是太阳能，所以也被称为风力发电机，是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发电机，一般说来，3级风就有利用的价值。风力发电的原理与传统的风车类似，风力和风速带动叶轮旋转来收集风能，通过增速机加速叶轮旋转的速度，从而实现发电机发电。但是单纯依靠发电机并不能完成发电，而是一套整体的运行系统。

2风力发电机类型

目前投入商业运行的并网发电机可分为定浆定速型和变浆变速型两大类，装机的发电机一般分为笼型异步发电机、绕线式双馈异步发电机和永磁同步发电机三种。风力发电机组结构包括机舱、转子叶片、轴心、低速轴、齿轮箱、高速轴及其机械闸、发电机、偏航装置、电子控制器，液压系统、冷却元件、尾舵等。不同的风力发电机结构自然也不相同，该文重点研究双馈异步风力发电机和直驱永磁发电机。

2.1双馈异步风力发电机

双馈异步风力发电机是目前应用最为广泛的风力发电机。主要由电机本体和冷却系统两部分组成，定子、转子和轴承系统组成电机本体，冷却系统分为水冷、空空冷和空水冷三种结构。

所谓双馈，指的是有两个能量流动的通道，双端口馈电，即转子和定子都参与励磁，都可以发电，并且与电网有能量交换。变频器在双馈电机中必不可少，变频器主要应用于变频驱动技术，改变交流电动机工作电压的频率和幅度。在双馈异步发电机中，定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变频器与电网连接，从而达到频率与电压成比例地改变，既改变频率的同时控制变频器输出电压，又使电动机的磁通保持一定，满足用电负载和并网的要求。

在双馈异步风力发电机中，变频器是一个重要的组成部分，它主要由设备侧变频器、直流电压中间电路、电网侧变频器、IGBT模块、控制电子单元五部分组成。工作原理主要是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。应用于风力发电机的主要是交—直—交变频器。是先将交流电经整流器转化成直流电，再经过逆变器把直流电变成频率和电压都可变的交流电。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块在逆变整流的过程中发挥着重要作用，它虽然就是一个开关，却是线路导通和关断的关键环节。双馈异步风力发电机是由风机拖动齿轮箱，再带动发电机运行，齿轮箱可以变速1：100倍，以让风机在1500RPM（最高转速）下运行，目前流行的主要有1.25MW，1.5MW，2MW三种机型，异步发电机的机组单价低，1KW大概需6000元左右，而且技术成熟，国产化高。一对齿轮正确啮合的条件是两齿轮的模数和压力角分别对等，而在实际操作过程中，齿轮啮合不可避免的存在误差，容易产生摩擦噪声，所以也要定期检查齿轮箱润滑油供应是否充分。

在实际操作过程中发现，双馈异步风力发电机因采用高速电机，具有体积小、重量轻，效率稿、价格低廉等优点，但同时由于增速齿轮箱结构复杂，容易疲劳损坏。

2.2直驱永磁同步发电机

直驱，顾名思义直接驱动，是新型的电机直接和运动执行部分结合，即电机直接驱动机器运转，没有中间的机械传动环节，直驱式风力发电机也称无齿轮风力发电机。永磁，意为这种材料本身具有磁性，不是磁化得到的，一般不会退磁，永磁材料又称"硬磁材料"。一经磁化即能保持恒定磁性的材料，具有宽磁滞回线、高矫顽力和高剩磁。直驱永磁同步发电机，采用多极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，同时增加磁极对数从而使得电机的额定转速下降。众所周知，齿轮箱是风力发电机组最容易出故障的部件，所以直驱永磁同步发电机的可靠性要高于双馈异步风力发电机。叶轮吸收风能后转化为机械能，通过主轴传递给发电机发电，发出的电通过全功率变流器之后过升压变压器上网。

因此，没有齿轮箱的直驱永磁同步发电机，具有以下优点：省去了齿轮箱这一机械部件，传动结构得到进一步简化，传动损耗大大降低，提高了机组的可靠性，提高了发电效率，在低风速环境下优势更明显；机组的零部件数量也同步减少，避免零部件损坏，降低了运行维护成本；同时也大大降低了摩擦噪声，使设备性能更优，电网接入性能的优异也有利于电网的稳定运行。但同时也要看到，为了提高发电效率，发电机的极数非常大，吨位也相应更重，体积庞大，同时直驱永磁发电机的单价较贵，技术复杂。

通过分析得出，直驱永磁风力发电机与双馈异步发电机相比优势更明显，是未来风电系统发展的一个重要方向，市场份额和占有率也会逐年增加，而且会成为海上风力发电机组的首选机型之一。随着技术的日臻成熟，也必将在我国风电机组中愈发重要。纵观风电机组现状得出，直驱永磁风力发电机与双馈异步风力发电机将并驾齐驱中国风电市场，成为我国风电市场上的两大主流机型。

3我国风力发电发展的现状

煤炭是我国的主要能源之一，火力发电是目前我国主要的发电形式，但化石能源的不可再生性和污染性等等弊端已经危害到人类的生存和发展。提高清洁能源使用率、调整能源结构、发展可再生能源势在必行。当今世界能源发展面临着资源紧张、环境污染、气候变化三大难题，解决这些难题，必须走清洁发展道路。而风力发电技术已基本成熟，具有可推广可实施的可行性。

据国家能源局网数据分析，2015年上半年中国共有270个风电场项目开工吊装，新增装机共5474台，装机容量为1010万千瓦，同比增长40.8%。其中，海上风电共装机50台，装机容量16.6万千瓦。从数据得出，我国风电发展势头强劲。

我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。根据最新风能太阳能资源评估图谱和数据，我国陆地70米高度平均风功率密度达到200瓦/平方米及以上等级的风能资源技术可开发量为50亿千瓦，全国陆地太阳能资源理论储量1.86万亿千瓦。主要分布在两大风带：一条是“三北（东北、华北、西北）地区丰富带”，二是东部沿海风带，另外内陆地区还有一些局部风能资源丰富区。

4结语

我国风能资源如此丰厚，风力发电在我国有着广阔的发展前景，在国家大力提倡清洁能源的大背景下，更要提高风电机组的制造技术，打造国产化风电装备，同时做好风资源的测定和勘察工作，依托政策发展风电。面对全球化的环境污染和气候难题，寻找清洁能源是必经之路，发展风电也必将是关键环节之一。

参考文献：

[1]蒋宏春.风力发电技术综述[J].机械设计与制造，2010（9）：250251.

[2]刘晓林.风力发电机主要种类及应用技术浅析[J].电器制造，2009（9）：18-20.