導(dǎo)語(yǔ)：風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)經(jīng)濟(jì)探索一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

本文作者：胡明旭王維華工作單位：哈電集團(tuán)現(xiàn)代制造服務(wù)產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司

1風(fēng)電設(shè)備型式的演化

齒輪箱存在的主要問(wèn)題是噪聲、磨損、功率損耗、維修、油污等,特別是在高達(dá)百米的高塔上作業(yè),頻繁地進(jìn)行維修、更換部件,使廠家不堪承受,目前尚無(wú)保證其壽命的成熟技術(shù)。然而,為了達(dá)到更高的速比,使用多級(jí)齒輪箱更適宜。單級(jí)齒輪箱的速比選為6,齒輪箱功率損耗與速度成比例,三級(jí)齒輪箱損耗功率是額定功率的3%,單級(jí)是額定功率的1.5%。從1991年開(kāi)始,推出無(wú)齒輪箱發(fā)電機(jī)系統(tǒng),即所謂的直驅(qū)式發(fā)電機(jī),主要是為了避免齒輪箱故障和減少維護(hù)量。為了和電網(wǎng)聯(lián)接,這種風(fēng)電設(shè)備還需要一個(gè)全功率電力電子變流器。然而配套的低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩發(fā)電機(jī)和全功率變流器是相當(dāng)貴的,因此,那時(shí)大多數(shù)采用直驅(qū)式直流或交流電勵(lì)磁的發(fā)電機(jī),后來(lái)推出永磁鋼勵(lì)磁,從而消除了勵(lì)磁損耗。為了增加功率和降低轉(zhuǎn)速,直驅(qū)式發(fā)電機(jī)變得越來(lái)越大和更加昂貴,為此提出了采用一個(gè)單級(jí)齒輪箱(速比為6或者更高)的裝置,這一系統(tǒng)雖然仍有帶齒輪箱、直驅(qū)式系統(tǒng)昂貴的發(fā)電機(jī)及全功率變流器等缺點(diǎn),但與直驅(qū)式系統(tǒng)相比,它可以使發(fā)電機(jī)成本降低,效率提高。這個(gè)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩仍然相當(dāng)高,轉(zhuǎn)速相當(dāng)?shù)?擁有一個(gè)大的直徑和氣隙,就有大的勵(lì)磁電流和高的損耗。然而,變流器的額定容量可以降到30%,從成本和效率方面占有優(yōu)勢(shì)。這種單級(jí)齒輪箱的使用,使得整機(jī)外形尺寸顯著縮小。

2風(fēng)輪機(jī)特性

2.1功率P=(1/2)QCr2v3(1)式中:P為功率,MW;Q為空氣密度,kg/m3;r為轉(zhuǎn)輪半徑,m;v為風(fēng)速,m/s;C為功率系數(shù),即空氣動(dòng)力效率,%;d為葉尖速比,葉尖周速/風(fēng)速;a為槳葉節(jié)距角。2.2主要參數(shù)以P=3MW,額定轉(zhuǎn)速為15r/min,額定風(fēng)速v=12m/s,平均風(fēng)速…v=7m/s,轉(zhuǎn)輪直徑為90m,最優(yōu)葉尖速比8,最大空氣動(dòng)力效率(轉(zhuǎn)輪)為48%,空氣密度Q=1.225kg/m3為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置方案對(duì)比。

3結(jié)構(gòu)布置方案對(duì)比

研究了五種風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng),即帶三級(jí)齒輪箱的異步發(fā)電機(jī)、直流電勵(lì)磁的直驅(qū)式同步發(fā)電機(jī)、直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)、帶單級(jí)齒輪箱的永磁發(fā)電機(jī)以及帶單級(jí)齒輪箱的異步發(fā)電機(jī),其主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。3.1帶三級(jí)齒輪箱的異步發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)選擇3,轉(zhuǎn)速為1000r/min,齒輪箱增速比為80,發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1200r/min,氣隙4.2mm,鐵心長(zhǎng)0.75m。這個(gè)系統(tǒng)中齒輪箱的損耗是主要的,大約占總損耗的70%。3.2直驅(qū)式直流勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)從電磁觀點(diǎn)考慮,大氣隙尺寸更好,但是機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和運(yùn)輸更加困難。5mm的氣隙尺寸是折中方案。兩極電機(jī),每極每相槽數(shù)是2。這個(gè)值增加時(shí)使發(fā)電機(jī)更重更貴,這是因?yàn)樵黾恿硕瞬坷@組和軛部的尺寸。這個(gè)值減少時(shí)將導(dǎo)致勵(lì)磁損耗明顯增加,特別是在部分負(fù)載時(shí)。這個(gè)系統(tǒng)損耗主要是定、轉(zhuǎn)子中的銅損。使用更多的材料可以降低銅損,但發(fā)電機(jī)變得更加昂貴。鐵耗是小的,低于系統(tǒng)年損耗的5%。使用損耗大的疊片鐵心結(jié)構(gòu)幾乎不影響性能。3.3直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)氣隙本身尺寸選擇為5mm,也是折中方案(原因同上)。發(fā)電機(jī)采用4極,與/直勵(lì)-同步0方案相比,極數(shù)加倍,這是為了減少去磁作用,減少軛部和端部繞組的尺寸。由于使用了永磁鐵,并不像/直勵(lì)-同步0那樣會(huì)增大勵(lì)磁損耗。發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)成本比電流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)更小。變流器的損耗是其中最大的損耗。鐵耗不能被忽略,在風(fēng)速達(dá)到8m/s時(shí),其損耗比銅耗大,并且發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中超過(guò)15%年損耗是鐵耗。3.4帶單級(jí)齒輪箱的永磁發(fā)電機(jī)盡管帶單級(jí)齒輪箱的異步發(fā)電機(jī)的速度比直驅(qū)式發(fā)電機(jī)高出很多,90r/min的額定速度還是有些低,因此發(fā)電機(jī)還是被造成大直徑的環(huán)形電機(jī)。定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙選為3.6mm,以消除最重要的運(yùn)輸問(wèn)題。在這個(gè)系統(tǒng)中,變流器和齒輪箱中的損耗是主要的。額定速度下發(fā)電機(jī)的鐵耗與銅耗處于相同的數(shù)量級(jí),這是由于采用84Hz的高頻率造成。3.5帶單級(jí)齒輪箱的異步發(fā)電機(jī)氣隙為3.6mm,額定轉(zhuǎn)速是90r/min(異步發(fā)電機(jī)本身是75r/min),極對(duì)數(shù)是40,每極每相槽數(shù)是2。在籠型異步發(fā)電機(jī)中,這將導(dǎo)致大的附加損耗,但是在繞線式轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)中,這是可以接受的。由于相當(dāng)大的氣隙和高的極對(duì)數(shù),勵(lì)磁電流相當(dāng)大。為了使勵(lì)磁電流減小到一個(gè)可接受的水平,槽是半閉口的,氣隙可取2mm,這就需要有一個(gè)高剛度的軸承和支持結(jié)構(gòu)。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析得出以下結(jié)論:(1)帶有3級(jí)齒輪箱的轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁異步發(fā)電機(jī)是最輕的,在商業(yè)上的應(yīng)用很廣。然而因?yàn)樗捎糜摄~和鐵心組成的標(biāo)準(zhǔn)部件,它的齒輪箱損耗很高,效率很低,進(jìn)一步改進(jìn)會(huì)受到限制。(2)大型直驅(qū)式轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁的同步發(fā)電機(jī),但它是最重、最貴的。#142#(3)永磁同步發(fā)電機(jī)是另一種無(wú)齒輪箱直接驅(qū)動(dòng)式發(fā)電機(jī)。對(duì)于相同的氣隙尺寸,發(fā)電機(jī)有效消耗的材料的質(zhì)量接近減半,而效率卻能提高幾個(gè)百分點(diǎn),它有最高的能量輸出。與帶齒輪箱的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)相比,它就比較貴。但應(yīng)注意到,永磁鐵和電力電子元件的成本正在降低,發(fā)電機(jī)系統(tǒng)正在優(yōu)化,如果帶上簡(jiǎn)單的一級(jí)齒輪箱,成本可被削減。(4)依據(jù)單位成本的年輸出電量看,帶簡(jiǎn)單的一級(jí)齒輪箱的轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁異步發(fā)電機(jī)是最好的選擇,性?xún)r(jià)比最高,其變流器容量小,損耗和成本都被削減。(5)進(jìn)一步提高風(fēng)力發(fā)電裝置可靠性和可利用率是重要的課題,尤其對(duì)那些海上風(fēng)力機(jī)。采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的發(fā)電機(jī)和變流器,在標(biāo)準(zhǔn)化、成本和可靠性方面會(huì)有好處。(6)只要有諸如齒輪箱和電刷之類(lèi)的易磨損器件,就會(huì)帶來(lái)麻煩。使用直流勵(lì)磁的同步發(fā)電機(jī),由于采用了全容量變流器,改進(jìn)了可靠性,消除了因電網(wǎng)事故產(chǎn)生的電壓擾動(dòng)問(wèn)題,可能是最好的方案。它沒(méi)有電刷和齒輪箱,卻需配置全容量變流器。(7)定子線圈采用超高壓新技術(shù)的大型永磁發(fā)電機(jī)已成功運(yùn)行,它可以直接并網(wǎng)而不需要經(jīng)過(guò)變壓器,也不用齒輪箱和電刷之類(lèi)的易磨損器件,設(shè)備的簡(jiǎn)化使電力系統(tǒng)降低了成本,節(jié)省了投資,減輕了維護(hù),提高了經(jīng)濟(jì)效益。按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估的結(jié)果還證明,它對(duì)環(huán)境的危害大幅度減少,較高的經(jīng)濟(jì)性能和環(huán)保優(yōu)勢(shì)使其前景看好。