趙英慶

摘 要：世界能源發(fā)展面臨資源緊張、環(huán)境污染、氣候變化三大難題。我國也亟需調(diào)整能源結構、發(fā)展清潔能源。風力發(fā)電作為可再生能源，取之不盡用之不竭，是一項朝陽產(chǎn)業(yè)。本文主要從風力發(fā)電機原理及風力發(fā)電技術入手，分析了雙饋異步風力發(fā)電機與直驅(qū)永磁風力發(fā)電機的原理和特點，以及我國風力發(fā)電的現(xiàn)狀。

關鍵詞：風力發(fā)電 雙饋異步 直驅(qū)永磁 風能

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0025-02

風能作為自然界的清潔可再生能源，取之不竭用之不盡，蘊量極其豐富。過去人們用風車抽水、磨面，用風帆助力輪船啟航，而現(xiàn)在風力發(fā)電已越來越多的走進人們的視野，不僅因其清潔可再生，更重要的是當下能源的有限性和不可再生性、環(huán)境的污染加劇、氣候的升溫變化對人類的生存環(huán)境亮起了紅燈，這都決定了必須發(fā)展清潔能源。風能作為清潔能源之一，在我國擁有一定的發(fā)展基礎，隨著能源結構的不斷調(diào)整，風力發(fā)電將擁有廣闊的發(fā)展前景。風力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因其燃料來源于大自然，不需人力就可以獲取，同時也不會產(chǎn)生輻射和空氣污染。風力發(fā)電在國外也很流行，在我國西部地區(qū)也大力提倡。風力發(fā)電利用的是自然能源，相對火電、核電等發(fā)電要更加綠色、環(huán)保。

1 風力發(fā)電機

風力發(fā)電機又稱風車，是將風能轉(zhuǎn)換為機械功的動力機械，機械功帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，最終輸出交流電的電力設備。廣義地說，風能也是太陽能，所以也被稱為風力發(fā)電機，是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質(zhì)的熱能利用發(fā)電機，一般說來，3級風就有利用的價值。

風力發(fā)電的原理與傳統(tǒng)的風車類似，風力和風速帶動葉輪旋轉(zhuǎn)來收集風能，通過增速機加速葉輪旋轉(zhuǎn)的速度，從而實現(xiàn)發(fā)電機發(fā)電。但是單純依靠發(fā)電機并不能完成發(fā)電，而是一套整體的運行系統(tǒng)。

2 風力發(fā)電機類型

目前投入商業(yè)運行的并網(wǎng)發(fā)電機可分為定漿定速型和變漿變速型兩大類，裝機的發(fā)電機一般分為籠型異步發(fā)電機、繞線式雙饋異步發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機三種。風力發(fā)電機組結構包括機艙、轉(zhuǎn)子葉片、軸心、低速軸、齒輪箱、高速軸及其機械閘、發(fā)電機、偏航裝置、電子控制器，液壓系統(tǒng)、冷卻元件、尾舵等。不同的風力發(fā)電機結構自然也不相同，該文重點研究雙饋異步風力發(fā)電機和直驅(qū)永磁發(fā)電機。

2.1 雙饋異步風力發(fā)電機

雙饋異步風力發(fā)電機是目前應用最為廣泛的風力發(fā)電機。主要由電機本體和冷卻系統(tǒng)兩部分組成，定子、轉(zhuǎn)子和軸承系統(tǒng)組成電機本體，冷卻系統(tǒng)分為水冷、空空冷和空水冷三種結構。

所謂雙饋，指的是有兩個能量流動的通道，雙端口饋電，即轉(zhuǎn)子和定子都參與勵磁，都可以發(fā)電，并且與電網(wǎng)有能量交換。變頻器在雙饋電機中必不可少，變頻器主要應用于變頻驅(qū)動技術，改變交流電動機工作電壓的頻率和幅度。在雙饋異步發(fā)電機中，定子繞組直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子繞組通過變頻器與電網(wǎng)連接，從而達到頻率與電壓成比例地改變，既改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，又使電動機的磁通保持一定，滿足用電負載和并網(wǎng)的要求。

在雙饋異步風力發(fā)電機中，變頻器是一個重要的組成部分，它主要由設備側(cè)變頻器、直流電壓中間電路、電網(wǎng)側(cè)變頻器、IGBT模塊、控制電子單元五部分組成。工作原理主要是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。應用于風力發(fā)電機的主要是交—直—交變頻器。是先將交流電經(jīng)整流器轉(zhuǎn)化成直流電，再經(jīng)過逆變器把直流電變成頻率和電壓都可變的交流電。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊在逆變整流的過程中發(fā)揮著重要作用，它雖然就是一個開關，卻是線路導通和關斷的關鍵環(huán)節(jié)。雙饋異步風力發(fā)電機是由風機拖動齒輪箱，再帶動發(fā)電機運行，齒輪箱可以變速1：100倍，以讓風機在1500RPM（最高轉(zhuǎn)速）下運行，目前流行的主要有1.25MW，1.5MW，2MW三種機型，異步發(fā)電機的機組單價低，1KW大概需6000元左右，而且技術成熟，國產(chǎn)化高。一對齒輪正確嚙合的條件是兩齒輪的模數(shù)和壓力角分別對等，而在實際操作過程中，齒輪嚙合不可避免的存在誤差，容易產(chǎn)生摩擦噪聲，所以也要定期檢查齒輪箱潤滑油供應是否充分。

在實際操作過程中發(fā)現(xiàn)，雙饋異步風力發(fā)電機因采用高速電機，具有體積小、重量輕，效率稿、價格低廉等優(yōu)點，但同時由于增速齒輪箱結構復雜，容易疲勞損壞。

2.2 直驅(qū)永磁同步發(fā)電機

直驅(qū)，顧名思義直接驅(qū)動，是新型的電機直接和運動執(zhí)行部分結合，即電機直接驅(qū)動機器運轉(zhuǎn)，沒有中間的機械傳動環(huán)節(jié)，直驅(qū)式風力發(fā)電機也稱無齒輪風力發(fā)電機。永磁，意為這種材料本身具有磁性，不是磁化得到的，一般不會退磁，永磁材料又稱"硬磁材料"。一經(jīng)磁化即能保持恒定磁性的材料，具有寬磁滯回線、高矯頑力和高剩磁。直驅(qū)永磁同步發(fā)電機，采用多極電機與葉輪直接連接進行驅(qū)動的方式，免去齒輪箱這一傳統(tǒng)部件，同時增加磁極對數(shù)從而使得電機的額定轉(zhuǎn)速下降。眾所周知，齒輪箱是風力發(fā)電機組最容易出故障的部件，所以直驅(qū)永磁同步發(fā)電機的可靠性要高于雙饋異步風力發(fā)電機。葉輪吸收風能后轉(zhuǎn)化為機械能，通過主軸傳遞給發(fā)電機發(fā)電，發(fā)出的電通過全功率變流器之后過升壓變壓器上網(wǎng)。

因此，沒有齒輪箱的直驅(qū)永磁同步發(fā)電機，具有以下優(yōu)點：省去了齒輪箱這一機械部件，傳動結構得到進一步簡化，傳動損耗大大降低，提高了機組的可靠性，提高了發(fā)電效率，在低風速環(huán)境下優(yōu)勢更明顯；機組的零部件數(shù)量也同步減少，避免零部件損壞，降低了運行維護成本；同時也大大降低了摩擦噪聲，使設備性能更優(yōu)，電網(wǎng)接入性能的優(yōu)異也有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。但同時也要看到，為了提高發(fā)電效率，發(fā)電機的極數(shù)非常大，噸位也相應更重，體積龐大，同時直驅(qū)永磁發(fā)電機的單價較貴，技術復雜。

通過分析得出，直驅(qū)永磁風力發(fā)電機與雙饋異步發(fā)電機相比優(yōu)勢更明顯，是未來風電系統(tǒng)發(fā)展的一個重要方向，市場份額和占有率也會逐年增加，而且會成為海上風力發(fā)電機組的首選機型之一。隨著技術的日臻成熟，也必將在我國風電機組中愈發(fā)重要。縱觀風電機組現(xiàn)狀得出，直驅(qū)永磁風力發(fā)電機與雙饋異步風力發(fā)電機將并駕齊驅(qū)中國風電市場，成為我國風電市場上的兩大主流機型。

3 我國風力發(fā)電發(fā)展的現(xiàn)狀

煤炭是我國的主要能源之一，火力發(fā)電是目前我國主要的發(fā)電形式，但化石能源的不可再生性和污染性等等弊端已經(jīng)危害到人類的生存和發(fā)展。提高清潔能源使用率、調(diào)整能源結構、發(fā)展可再生能源勢在必行。當今世界能源發(fā)展面臨著資源緊張、環(huán)境污染、氣候變化三大難題，解決這些難題，必須走清潔發(fā)展道路。而風力發(fā)電技術已基本成熟，具有可推廣可實施的可行性。

據(jù)國家能源局網(wǎng)數(shù)據(jù)分析，2015年上半年中國共有270個風電場項目開工吊裝，新增裝機共5474臺，裝機容量為1010萬千瓦，同比增長40.8%。其中，海上風電共裝機50臺，裝機容量16.6萬千瓦。從數(shù)據(jù)得出，我國風電發(fā)展勢頭強勁。

我國幅員遼闊，海岸線長，風能資源比較豐富。根據(jù)最新風能太陽能資源評估圖譜和數(shù)據(jù)，我國陸地70米高度平均風功率密度達到200瓦/平方米及以上等級的風能資源技術可開發(fā)量為50億千瓦，全國陸地太陽能資源理論儲量1.86萬億千瓦。主要分布在兩大風帶：一條是“三北（東北、 華北、 西北）地區(qū)豐富帶”，二是東部沿海風帶，另外內(nèi)陸地區(qū)還有一些局部風能資源豐富區(qū)。

4 結語

我國風能資源如此豐厚，風力發(fā)電在我國有著廣闊的發(fā)展前景，在國家大力提倡清潔能源的大背景下，更要提高風電機組的制造技術，打造國產(chǎn)化風電裝備，同時做好風資源的測定和勘察工作，依托政策發(fā)展風電。面對全球化的環(huán)境污染和氣候難題，尋找清潔能源是必經(jīng)之路，發(fā)展風電也必將是關鍵環(huán)節(jié)之一。

參考文獻

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