直驱式风力发电技术及其发展许磊

直驱式风力发电技术及其发展许磊

许磊

（大唐新能源蒙西公司内蒙古呼和浩特010000）

摘要：直驱式风力发电是当前风力发电技术的一种极具潜能的发展方向。首先回顾国内外风力发电的发展情况,在此基础上,分析了风力发电机组技术尤其是直驱式风力发电机组技术,对直驱式风力发电技术中使用的功率调节方式进行了探讨。对直驱式永磁同步风力发电系统的结构与控制进行了分析,并展望变速风力发电的发展趋势。

关键词：风力发电；直驱式发电机技术；发展趋势

一、直驱永磁风力发电系统的可靠性基本理论

直驱永磁发电机顾名思义是在传功链中不含有增速齿轮箱，众所周知，一般发电机要并网必须满足相位、幅频、周期同步。而我国电网频率为50hz，这就表示发电机要发出50hz的交流电。而电动机转速、磁极对数与频率有一定的关系，所以当极对数不变时，发电机的转速是一定的，所以一般双馈风机的发电机额定转速为1800r/min。而叶轮转速一般在十几转每分钟。这就需要在叶轮与发电机之间加入增速箱。永磁直驱发电机通过增加磁极对数从而使得电机的额定转速下降，这样就可以达到变速齿轮箱的作用，直接驱动电机转动，故名直驱。而齿轮箱是风力发电机组最容易出现故障的部件，所以，永磁直取的可靠性要高于双馈。风力发电机也在逐步的永磁化，采用永磁风力发电机，不仅可以提高大电机的效率，而且能在增大电机容量的同时，减少体积，而且由于发电机采用了永磁结构，省去了电刷和集电环风力机等容易损耗的机械部件，从而大大提高了系统的可靠性。

二、直驱式风力发电技术的分析

虽然双馈感应风力发电机组研究时间较长，而且是早期就已经大量投入建设的机组之一，占据目前市场份额的50%以上，主要是由于该类技术具有运行能力强的特点。但其不足之处也十分明显，例如：发电机组具有较高的转速要求，电网故障往往容易干扰发电机的正常运行。而直驱式的风力发电机组则具有下列四个特点：

（1）利用磁极对数的增设来降低转子的转速要求，而且无齿轮技术的应用也减少了机械故障的发生概率，有效提高了机组的使用周期，强化机组的稳定性。

（2）因为中介传动部件的精简，有效地优化机组的制备和装配实践，也有利于机械配件制造的材料节约，具有较高的经济效益。

（3）通过永磁体的应用，有效精简机组部件的应用，运行效率和稳定性都有了很大程度的提升。

（4）事实上，永磁机组由于具备较大的外围接触面积，提供良好的散热渠道，便于自然风冷的发生。

从目前主流的两大风力发电机型看，得益于变速恒频系统可以进行桨距角的有效控制，在较大的风速变动区间类将叶尖速比保持在最佳的状态，实现功率的最大运行模式。同时，这类技术的应用也极大推动了定桨距恒速恒频逐渐向变桨距变速恒频的过渡。近几年，由于其他领域技术的发展，使得直驱式发电机的优势得以进一步凸显，实现跨越式的发展。目前，该技术已经在世界范围内得到了认可，尤其以德国、丹麦以及美国等在直驱永磁发电技术占据了领先的优势。其中以挪威所拥有的直驱式发电机组风电场最大，由于配置无齿轮直驱同步风电机组，其效率最大值甚至高达98%。但是该类机组的主要承建企业是德国西门子公司。

从目前我国的情况来看，国内也涌现出了不少的风电企业，如金风、华锐、明阳和其他同行企业，其中湘电风能和金风科技等公司最具有代表性。

三、提高直驱风力发电机系统的可靠性技术

3.1提高风力发电机组的故障诊断技术

风力发电时，由于工况比较特殊，因此容易出现很多不同形式的故障，这些故障有的可以很容易被辨别，而有的则极难被识别，如果不能及时诊断出故障，就容易使发电系统瘫痪，因此，这就要求我们提高检测故障的技术，来提前避免此类现象的发生。提高检测技术可以从两方面入手：第一，提高专门检测硬件设施的技术。第二，提高专门检测软件设施的技术。

3.2提高电机冷却技术

电机冷却有助于减少电机的消磁现象，因此提高电机冷却技术的研究是可行的，其方法主要有以下两种：

（1）蒸发冷却技术。蒸发冷却技术是为了提高电机的热负荷率，其冷却技术在最初主要是用于汽轮发电机和水轮发电机，通过研究，也可以运用于大型风力发电机中。但由于目前技术还不够完善，因此还需要对这一技术进行提高。

（2）高温超导技术。高温超导技术主要是指在电机运行中，利用一定量的高温超导线材对电机进行温度引导，电机温度降温到一定程度时，金属的电阻会突然消失变为零。这种高温超导技术可以使传统电机的损耗减少很大一部分，有利于发电机的正常工作。

3.3保证直驱永磁风力发电系统的低电压穿越技术

风资源具有不稳定性，因此其风电组本身也经常会产生不稳定情况，这就要求我们提高风电并入电网后，让其电网的电压保持一定的数据频率，使其电压持续保持稳定。同时，在直驱永磁风力发电系统中，由于变流器的热容量是有限的，所以就必须对输入的电流量加以控制，使其不要过大或过小，以保证直驱永磁风力发电系统的低电压。

3.4优化直驱永磁风力发电系统并网运行控制策略

在风电场并网母线配置储能系统，设计出先进的闭环控制器，平抑风电场输出的功率波动，使得风力发电系统输出的电能动态性能良好，并网稳定运行。

四、未来风力发电技术的发展趋势

4.1直驱式与全功率变流技术的高速发展应用

由于无齿轮箱直驱模式所展现出来的高效性、低故障以及稳定性等优势，使得机组的使用寿命和维护成本得到了巨大的优化。这项技术最早是西门子公司应用在位于丹麦西部的两台（3.0MW）直驱式风电机组当中。而我国对该项技术的应用是在金风公司与德国Vensys公司进行合作之后，并且制备超过千台（1.5MW）直驱风电机组已经投入到国内风电场之中运行。除此之外，还有我国的湘电公司，也制备了大批量（2.0MW）直驱风电机组投入市场。还有不少诸如广西银河艾迈迪、航天万源等高新技术企业在研发直驱风电机组。而该类机组的研发和大面积应用，也在一定程度预示着全功率变流技术的未来趋势。这也得益于全功率变流技术在低电压穿越问题上的解决优势，更使得处于故障状态下的机组控制有了更好的解决。

4.2机组融入智能联网控制技术

随着风电机组运行和控制特点的不断清晰，智能化联网控制系统应用于风电机组也有新的发展，很大程度地改善了过去非线性和随机扰动等方面的问题。作为影响风电机组的使用寿命和稳定性的主要原因，极限载荷和疲劳载荷的控制显得至关重要。而智能化控制模式的应用，则使得机组控制可以更加精确和规范，对极限载荷和疲劳载荷状态进行有效的调节，使得机组效益有了进一步的提升。

结束语

通过对于风力发电技术发展的解析，不难发现可再生能源的发电技术可以很大程度地保障全球生态环境，也能提供必要的能源，是目前实现电力产业可持续发展的重要方向，也是全球电力机构研究的重点领域。从我国目前的情况来看，风力发电已经逐步成为了电力产业发展的新方向和新重点。因此，在未来我国技术人员除了坚持一贯的研究作风之外，更需要积极强化对实践经验的总结，强化对直驱式风力发电技术的发展研究，更好地促进风力发电行业产业化、商业化的发展和推广。

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