几种典型的风力发电系统对比分析

2.3直驱型变速恒频风力发电系统

近几年来，直接驱动技术在风电领域得到了重视。这种风力发电机组采用多极发电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，从而免去了齿轮箱这一传统部件，由于其具有很多技术方而的优点，特别是采用永磁发电机技术，其可靠性和效率更高，处于当今国际上领先地位，在今后风电机组发展中将有很大的发展空间。德国在2003年上半年所安装的风力机中，就有40.9%采用了无齿轮箱系统。直驱型变速恒频风力发电系统的发电机多采用永磁同步发电机，其转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，提高了效率。其变速恒频控制也是在定子电路实现的，把永磁发电机发出变频的交流电通过变频器转变为与电网同频的交流电，因此，变频器的容量与系统的额定容量相同。

采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合，省去了齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减少系统运行噪声，提高可靠性。尽管由于直接耦合，永磁发电机的转速很低，使发电机体积很大，成本较高，但由于省去了价格更高的齿轮箱，所以，整个系统的成本还是降低了。另外，电励磁式径向磁场发电机也可视为一种直驱风力发电机的选择方案，在大功率发电机组中，它的直径大而轴向长度小。为了能放置励磁绕组和极靴，极距必须足够大，它的输出交流电频率通常低于50Hz，必须配备整流逆变器。

直驱式永磁风力发电机的效率高、极距小，况且永磁材料的性价比正得到不断提升，应用前景十分广阔。

2.4混合式变速恒频风力发电系统

直驱式风力发电系统不仅需要低速、大转矩电机而且需要全功率变流器，为了降低电机设计难度，带有低变速比齿轮箱的混合型变速恒频风力发电系统得到实际应用。这种系统可以看成全直驱传动系统和传统解决方案的一个折中。发电机是多极的，和直驱设计本质上一样的，但它更紧凑，相对来说具有更高的速度和更小的转矩。

2.5其它

开关磁阻发电机和无刷爪极自励发电机也可以用在风力发电系统中。其中，开关磁阻发电机为双凸极电机，定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既无绕组也无永磁体，故机械结构简单、坚固，可靠性高。无刷爪极自励发电机与一般同步电机的区别仅在于它的励磁系统部分。其定子铁心及电枢绕组与一般同步电机基本相同。由于爪极发电机的磁路系统是一种并联磁路结构，所有各对极的磁势均来自一套共同的励磁绕组，因此与一般同步发电机相比，励磁绕组所用的材料较省，所需的励磁功率也较小。几种变速恒频控制方案的比较分析如表1所列。 表略

3离网型风力发电机系统

通常，离网型风力发电机组容量较小，均属小型发电机组。可按照发电容量的大小进行分类，其大小从几百W至几十kW不等。自上世纪80年代初开始，中国的小型风力机制造产业，在政府的支持下，尤其是内蒙古自治区政府的大力扶植，得到了引人瞩目的发展，十几万台小型风力发电机的生产和推广应用，为远离电网的农牧民解决基本的生活用电，尤其是照明和收听电台广播，作出了不开磨灭的贡献。据统计，在上世纪80年代初期，国内有近百家小型风力发电机制造企业。随着改革开放的不断深化以及社会经济的发展，这些小型风力发电机制造企业经过内部的调整和外部的整合，根据中国农村能源行业协会小型电源专委会的统计，到目前为止，全国有23家小型风力发电机生产企业，2005年共生产小型风力发电机32433台，装机容量为12020kW，产值8472万元，利税为993万元。国内生产的小型风力发电机，单机容量从60W到30kW不等。

小型风力发电机按照发电类型的不同进行分类，可分为直流发电机型、交流发电机型。较早时期的小容量风力发电机组一般采用小型直流发电机，在结构上有永磁式及电励磁式两种类型。永磁式直流发电机利用永磁铁提供发电及所需的励磁磁通；电励磁式直流发电机则是借助在励磁线圈内流过的电流产生磁通来提供发电及所需要的励磁磁通。由于励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同，又可分为他励与并励（或自励）两种形式。

随着小型风力发电机组的发展，发电机类型逐渐由直流发电机转变为交流发电机。主要包括永磁发电机、硅整流自励交流发电机及电容自励异步发电机。其中，永磁发电机在结构上转子无励磁绕组，不存在励磁绕组损耗，效率高于同容量的励磁式发电机；转子没有滑环，运转时更安全可靠；电机重量轻，体积小，工艺简便，因此在离网型风力发电机中被广泛应用，但其缺点是电压调节性能差。硅整流自励交流发电机是通过与滑环接触的电刷与硅整流器的直流输出端相连，从而获得直流励磁电流。

但是由于风力的随机波动会导致发电机转速的变化，从而引起发电机出口电压的波动，这将导致硅整流器输出直流电压及发电机励磁电流的变化，并造成励磁磁场的变化，这样又会造成发电机出口电压的波动。因此，为抑制这种连锁的电压波动，稳定输出，保护用电设备及蓄电池，该类型的发电机需要配备相应的励磁调节器。电容自励异步发电机是根据异步发电机在并网运行时，电网供给的励磁电流对异步感应电机的感应电动势而言是容性电流的特性而设计的。即在风力驱动的异步发电机独立运行时，未得到此容性电流，须在发电机输出端并接电容，从而产生磁场建立电压。为维持发电机端电压，必须根据负载及风速的变化调整并接电容的数值。我国的小型风力发电机产业总体是在向好的方向展，小型风力发电机及其于太阳能的互补系统在解决边远地区无电问题上作出了不可磨灭的贡献。它的功率比同类太阳能系统来得大，能为更多的负载提供电力，甚至小型生产性负载，它的价位更易为广大农牧民所接受，如果政府采用小风电或风光互补系统来解决农村无电问题，则政府得投入将比相同功率的太阳能系统少得多。但是，小型风力发电机及其行业在发展中也同样面临着困难和挑战。这些困难和挑战，既来自产业的内部，也来自产业的外部环境。

4发展趋势

随着各国政策的倾斜和科技的不断进步，世界风力发电发展迅速，表现出了广阔的前景。未来数年世界风力发展的趋势可表现为：

4.1风力发电从陆地向海面拓展

海面的广阔空间和巨大的风能潜力使得风机从陆地移向海面成为一种趋势。目前只有少数国家建立了海上风电场，但预计今后几年，欧洲的海上风力发电将会大规模的起飞。

4.2新方案和新技术将不断被采用

在功率调节方式上，变速恒频技术和变桨距调节技术将得到更多的应用；在发电机类型上，控制灵活的无刷双馈型感应发电机和设计简单的永磁发电机将成为风力发电的新宠；在励磁电源上，随着电力电子技术的发展，新型变换器不断出现，变换器性能得到不断地改善；在控制技术上，计算机分布式控制技术和新的控制理论将进一步得到应用；在驱动方式上，免齿轮箱的直接驱动技术将更加吸引人们的注意。在技术上，经过不断发展，世界风力发电机组的逐渐形成了水平轴、三叶片、上风向、管式塔的统一形式。进入21世纪后，随着电力电子技术、微机控制技术和材料技术的不断发展，世界风力发电技术得到了飞速发展，主要体现在：

（1）单机容量不断上升国单机容量为SMW的风机己经进入商业化运行阶段；

（2）变桨距功率调节方式迅速取代定桨距功率调节方式国采用变桨距调节方式避免了定桨距调节方式中超过额定风速发电功率将下降的缺点；

（3）变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式国变速恒频方式可通过调节机组转速追踪最大风能，提高了风力机的运行效率；

（4）无齿轮箱系统的直驱方式增多国去掉齿轮箱虽然提高了发电机的设计和制造成本，但有效地提高了发电系统的效率和可靠性。

4.3风力发电机组将更加个性化

适合特定市场和风况的风力机将被更多地推出，目前，德国的Repower公司己经推出了这方面的产品。

4.4从事风力发电的队伍将近一步增大

随着对风力发电诱人前景的深入认识和更多优惠政策的出台，更多的新成员将加入风力发电产业。

5结语

变桨距风力机的起动风速较定桨距风力机低，停机时传动机械的冲击应力相对缓和。风机正常工作时主要采用功率控制，对功率调节的速度取决于风机桨距调节系统的灵敏度。在实际应用中，随着并网型风力发电机组容量的增大，大型风力机的单个叶片己重达数吨，操纵如此巨大的惯性体，并且响应速度要能跟得上风速变化是相当困难的。事实上，如果没有其他措施的话，只是通过变桨距来调节风力发电机组的功率对高频风速的变化仍然是无能为力的。因此，变桨距风力发电机组，除了对桨叶进行节距进行控制外，还须通过控制发电机输出功率来调节整个风力发电机组的转速，使之在一定范围内能够快速响应风速的变化，使风力机的叶尖速比达到最佳，以捕获最大的风能。这就是近年来所发展的变速恒频风力发电技术。

比较来看，定桨距失速控制风_t啮[Z险C納力机机构简单，造价低，并具有较高的安全系数，利于市场竞争。但失速型叶片本身结构复杂，成型工艺难度也较大。随着功率增大，叶片加长，所承受的气动推力增大，叶片的失速动态特性不易控制，使制造更大机组受到限制。变桨距型风力机能使叶片的节距角随风速而变化，从而使风力机在各种工况下（起动、正常运转、停机）按最佳参数运行。可使发电机在额定风速以下的工作区段有较大的功率输出，而在额定风速以上的高风速区段不超载，无需过大容量的发电机等。当然，它的缺点是需要有一套比较复杂的变距调节结构。现在这两种功率调节方案都在大、中型风力发电机组中得到了广泛应用。

目前中国风电发展面临两个突出的问题，一是风电发展规模迅速扩大，形成巨大的市场空间；二是国产机组缺乏竞争力，进口机组以压倒的优势占领了中国风电装机的主要份额。因此，大型风电机组的国产化是推动我国风电持续发展的根本途径。

作者简介

李建林（1976～），男，中国科学院电工研究所博士后，研究方向为变速恒频风力发电技术。