風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展前景

黃勇++熊躍

摘 要：伴隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的膨脹，能源的需求量變得越來(lái)越大，因此而帶來(lái)的能源缺口以及環(huán)境污染問(wèn)題日漸急迫。現(xiàn)在世界各國(guó)都在大力發(fā)展清潔能源，而風(fēng)力發(fā)電是新能源發(fā)電技術(shù)中最成熟、最具大規(guī)模開發(fā)和最有發(fā)展前景的發(fā)電方式，以其安全性和清潔性近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得以迅速發(fā)展，我國(guó)也進(jìn)入了風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展的階段。風(fēng)力發(fā)電涉及諸多技術(shù)分支，該文將著重探討風(fēng)力發(fā)電中關(guān)鍵部件-風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀及展望其技術(shù)發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī) 技術(shù) 現(xiàn)狀 前景

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（c）-0077-01

我國(guó)在1995年頒布的《中華人民共和國(guó)電力法》和2006年頒布的《可再生能源法》中均明確提出國(guó)家鼓勵(lì)和支持利用可再生能源發(fā)電，這為風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展構(gòu)建了一個(gè)比較完備的法律系統(tǒng)框架。尤其是自2006年以來(lái)，我國(guó)并接入網(wǎng)的風(fēng)電量以85%的年均增長(zhǎng)率逐步攀升，2012年6月我國(guó)一舉取代美國(guó)成為世界第一的風(fēng)電大國(guó)，國(guó)家電網(wǎng)已成為全球風(fēng)電接入規(guī)模最大的電網(wǎng)。隨后，國(guó)家能源局于2012年7月又發(fā)布了《風(fēng)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，提出我國(guó)到2015年風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)要達(dá)到1億 KW、2020年風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)要達(dá)到2億 KW的目標(biāo)。可預(yù)見(jiàn)的是，在常規(guī)能源越來(lái)越緊缺，污染越來(lái)越嚴(yán)重，而能源需求卻越來(lái)越大的嚴(yán)峻背景下，如何加快實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式以及轉(zhuǎn)變對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，已經(jīng)成為我國(guó)未來(lái)能源發(fā)展的主要基調(diào)。現(xiàn)有的可再生能源技術(shù)中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)又最為成熟，我國(guó)幅員遼闊，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具備得天獨(dú)厚的條件，因此對(duì)風(fēng)力發(fā)電中的關(guān)鍵技術(shù)-風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀及展望的研究就變得尤為重要。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的核心部件，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)輪、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、功率變換器、變壓器等部分構(gòu)成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在發(fā)展初期均采用小容量直流發(fā)電機(jī)，隨著風(fēng)電機(jī)組向大型化方向發(fā)展，交流發(fā)電機(jī)已成為當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要形式，如表1所示。

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)由早期的直流發(fā)電機(jī)、籠型異步發(fā)電機(jī)等演變?yōu)楫?dāng)前的雙饋異步發(fā)電機(jī)和低速直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)等。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身技術(shù)水平的提高，又有力地促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電整體技術(shù)的進(jìn)步。例如，雙饋異步發(fā)電機(jī)及其控制技術(shù)的成熟，使變速恒頻風(fēng)力發(fā)電得以實(shí)現(xiàn)，成為當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主流。

若根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特征為標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)又可分為恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Fixed speed generator）、有限變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Limited variable speed generator）和變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Variable speed generator）。

2 技術(shù)發(fā)展前景

目前，國(guó)際上大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正朝著增大單機(jī)容量、減輕每單位容量的自重、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。除了前述的各種發(fā)電機(jī)，各國(guó)研究人員從提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率和可靠性、降低大型發(fā)電機(jī)的制造難度等角度出發(fā)，還提出了其他一些具有商業(yè)化潛力的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

以異步發(fā)電機(jī)為主流的發(fā)電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，被作為電動(dòng)機(jī)廣泛使用，但其由于自身運(yùn)行范圍窄、功率因數(shù)較低等缺點(diǎn)，發(fā)展空間有限；變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的核心器件為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該系統(tǒng)采用齒輪箱和雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)相結(jié)合的形式，但是齒輪箱的性能優(yōu)劣制約著整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的效率和安全，雙饋異步發(fā)電機(jī)需要使用電刷和滑環(huán)，這降低了系統(tǒng)的可靠性，也增加了制造和維護(hù)成本。

針對(duì)上述缺點(diǎn)，國(guó)外學(xué)者提出了永磁異步電機(jī)的概念，采用多極永磁同步發(fā)電機(jī)的直驅(qū)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)省去了增速齒輪箱，避免了齒輪箱性能優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的制約，在實(shí)際運(yùn)行中提高了功率因數(shù)和發(fā)電效率，降低了維護(hù)成本，永磁異步電機(jī)具備廣闊的發(fā)展前景；另外，近年提出的無(wú)刷雙饋電機(jī)由于兼具了直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)和雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)二者的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中越來(lái)越受到關(guān)注，顧名思義，無(wú)刷雙饋電機(jī)由于沒(méi)有電刷和滑環(huán)，使得其可特別有利地用作為風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，這可以極大地避免在廣泛使用的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)中由于電刷與滑環(huán)的問(wèn)題所帶來(lái)的主要故障模式，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，研究表明無(wú)刷雙饋電機(jī)和雙階齒輪箱的組合具有優(yōu)異的可靠性且保持較低成本；例如雙凸極永磁電機(jī)（DSPM電機(jī)）、磁通切換永磁電機(jī)（FSPM電機(jī)）、定子內(nèi)永磁電機(jī)（SIPM電機(jī)）等，其均保留了開關(guān)磁阻電機(jī)定轉(zhuǎn)子均為凸極、轉(zhuǎn)子既無(wú)繞組也無(wú)永磁體等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，又同時(shí)具備效率高、功率密度高、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用前景廣闊。

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為世界各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的能源之一，隨此而來(lái)的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造業(yè)也成為新興的制造產(chǎn)業(yè)，勢(shì)必促進(jìn)風(fēng)力風(fēng)電上下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也勢(shì)必促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制技術(shù)的更快發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電機(jī)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)互為因果，共同發(fā)展，相互促進(jìn)。近年來(lái)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容量不斷增大，風(fēng)能領(lǐng)域新技術(shù)的快速發(fā)展，有力地促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、控制以及運(yùn)行維護(hù)水平的提高，各種新型化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，為實(shí)際應(yīng)用提供了多種選擇。

3 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)制造與諸多行業(yè)密切相關(guān)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，進(jìn)行探索非常必要。本文綜述了國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展概況，簡(jiǎn)要介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)最新研究進(jìn)展，但是風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展還存在著一定的問(wèn)題，希望我們?cè)缛漳軌蚬タ穗y關(guān)，為新能源的開發(fā)利用奠定重要的基礎(chǔ)。

（注：第二作者熊躍所做的貢獻(xiàn)與第一作者相同，但限于版面設(shè)計(jì)，被列為第二作者）

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