不同风力发电机系统的概述与比较

1、重庆大学不同风力发电机系统的概述与比较摘要：为了最大限度地利用风能，风力发电机是非常关键的部分。本文分析了传统的风力发电机和新型风力发电机等风力发电机的原理、性能及特点,通过对比各种风力发电机的优缺点，对未来风力发电机的发展趋势做了展望: 风力发电机大型化；风力发电机采用直接驱动；风力发电机无刷化等。关键词：风力发电机；双馈异步发电机；永磁同步发电机；开关磁阻发电机引言在能源短缺和环境趋向恶化的今天，风能作为一种可再生清洁能源，日益为世界各国所重视和开发。由于风能开发有着巨大的经济、社会、环保价值和发展前景，近20年来风电技术有了巨大的进步，风电开发在各种能源开发中增速最快。德国、西班牙、丹麦

2、、美国等欧美国家在风力发电理论与技术研发方面起步较早，因而目前处于世界领先地位1。与风电发达国家相比，中国在风力发电机制造技术方面存在较大差距，目前国内只掌握了定桨距风机的制造技术和刚刚投入应用的兆瓦级永磁直驱同步发电机技术，在风机的大型化、变桨距控制、主动失速控制、变速恒频等先进风电技术方面还有待进一步研究和应用。发电机是风力发电机组中将风能转化为电能的重要装置，它不仅直接影响输出电能的质量和效率，也影响整个风电转换系统的性能和装置结构的复杂性2。本文分析比较了各种风力发电机的优缺点，对未来风力发电机作了展望。1传统风力发电机1.1 笼型异步发电机系统结构如图一所示。图一 笼型异步发电机的结

3、构图图中的功率变换器是指软并网用的双向晶闸管起动装置，箭头指功率p的流动方向。其工作原理是利用电容器进行无功补偿，在高于同步转速附近作恒速运行，采用定桨距失速或主动失速桨叶，单速或双速发电机运行3。由于其控制策略在定子侧实现，变频器的容量和发电机的容量之比大于100%，整个系统的成本、体积和重量显著增加尤其对于大型风力发电系统；而且由于变频器直接和电网相连接，不可避免地对电网造成一些谐波污染。但鼠笼式异步电机因其结构简单、坚固耐用、运行可靠、易于维护和适宜恶劣的工作环境等优点，得到了广泛的应用，特别是在离网型风力发电系统中，目前多用于100kw以下的风力发电系统。1.2 双馈发电机变速恒频系统

4、双馈电机与普通的绕线式感应电机类似，系统如图二所示。图二 双馈异步发电机的结构图采用的发电机为转子双馈发电机，定子绕组与电网直接相连，转子绕组通过变频器供以频率、幅值、相位和相序都可改变的三相低频励磁电流。无论风速如何发生变化，当电机的转速改变时，通过变频器调节转子的励磁电流频率来改变转子磁势的旋转速度，使转子磁势相对于定子的转速始终是同步的，定子感应电势频率即可保持定值，发电系统便可做到变速恒频运行。此种结构的发电机是通过对其转差频率的控制来实现发电机的双馈调速。由于控制方案是在电机的转子侧实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率，转差功率仅为发电机定子额定

5、功率的1/4至1/3，功率转换装置的容量小、电压低，变频器的成本大为降低，系统容易设计与整理。这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，减小变频器的容量外，还可调节励磁电流的相位，达到改变功率角使发电机稳定运行的目的，所以可吸收更多无功功率，参与电网的无功功率调节, 解决电网电压升高的弊病，从而提高电网运行效率、电能质量与稳定性。缺点是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷，电刷和滑环之间的机械磨损会影响电机的寿命，需要经常维护，目前这种风力发电机技术已经商品化，能生产出兆瓦级风力发电系统4。1.3 无刷双馈型变速恒频系统无刷双馈电机是一种新型的，同时具有同步电机和异步电机特点的交流

6、调速电机，其结构和运行原理与传统的交流电机有较大的差别，无刷双馈电机的定子上具有两套极数不同的对称三组绕组，分别称为功率绕组和控制绕组，转子采用笼型或磁阻型的结构，取消了电刷和滑环。通过电机转子的磁动势谐波或磁导谐波对定子不同极数的旋转磁场进行调制来实现电机的机电能量转换。如果改变控制绕组的连接方式及其外加电源的频率、幅值和相位，可以实现无刷双馈电机的多种运行方式。无刷双馈电机结构如图三所示。图三 无刷双馈发电机的结构图定子上装有两套不同的三相对称绕组，一套接至工频电源，称为功率绕组；一套接至变频电源，称为控制绕组；转子采用自行闭合的环路结构。无刷双馈电机与普通感应电机的区别在于无刷双馈电机在

7、定子上有一套控制绕组，可以通过调节控制绕组的电流频率来改变转子的转速3。与同步电机相比，无刷双馈电机励磁可调量有三个：一是与同步电机一样，可调节励磁电流的幅值；二是可改变励磁频率；三是可改变电流的相位。通过人为地改变励磁频率，可调节无刷双馈电机的转速，达到调速的目的。这样，在负荷变化时，迅速改变电机转速，充分利用转子的动能，释放和吸收负荷，对电网的扰动远比常规电机轻，另外，通过改变转子电流的幅值和相位。可达到调节有功功率和无功功率的目的。同步电机励磁的可调量只有一个，即电流的幅值。所以同步电机励磁一般只能对无功功率进行调节。与之不同的是，无刷双馈电机励磁除了可以调节电流幅值，亦可调节电流的相位

8、。所以，无刷双馈电机不仅可调节无功功率，也可调节有功功率。一般说来，当电机吸收无功功率时，往往功率角变大，使电机稳定度下降。但无刷双馈电机却可通过调节励磁电流的相位，减小机组的功率角，使机组运行的稳定度提高，从而多吸收无功功率，克服由于晚间负荷下降，电网电压过高的困难。与之相比，感应发电机却因需从电网吸收无功的励磁电流，与电网并行运行后，造成电网的功率因数变坏。所以无刷双馈电机较同步电机和感应电机都有着更优越的运行性能。其基本原理与有刷双馈异步发电机相同，主要区别是取消了电刷，此种电机弥补了标准型双馈电机的不足，兼有笼型、绕线型异步电机和电励磁同步电机的共同优点，功率因数和运行速度可以调节，因

9、此适合于变速恒频风力发电系统，其缺点是增加了电机的体积和成本。1.4 同步发电机近年来，采用同步发电机来代替异步发电机是风力发电系统的一个主要技术进步。此种发电机极数很多，转速较低，径向尺寸较大，轴向尺寸较小，可工作在起动力矩大、频繁起动及换向的场合，并且当与电子功率变换器相连时可以实现变速操作，因此适用于风力发电系统。系统结构如图四所示。图四 同步发电机的结构系统图变换器与发电机定子相连，电压源型逆变器的直流侧提供电机转子绕组的激励电流。通过控制功率变换器的电压来改变发电机定子绕组的电流，从而控制发电机的输出力矩。通过控制功率变换器的超前、滞后电流来控制整个机组的无功功率及有功功率输出。此种

10、风力发电机组具有噪声低、电网电压闪变小及功率因数高等优点5。2 新型风力发电机2.1 开关磁阻发电机开关磁阻发电机具有结构简单、能量密度高、过载能力强、动静态性能好、可靠性和效率高的特点6。系统结构如图五所示。图五 开关磁阻发电机的结构图作电动机运行时，励磁电流产生的旋转磁场使转子动作，改变相绕组通电顺序，电机可处于连续运动的工作状态；作发电机运行时，电机的各个物理量随着转子位置的变化作周期性变化，当电机相电感随转子位置变化减小时，给相绕组通以励磁电流，则在定子侧发生电磁感应，将机械能转化为电能7。由于开关磁阻发电机运行时相当于一个电流源，电流波形脉动，易实现并网运行。当开关磁阻电机运行在风力

11、发电系统中时，起动转矩大、低速性能好，常被用于小型(<30kw)的风力发电系统中。但其逆变器和驱动器容量大，开关磁阻电机容易出现力矩波动。2.2 永磁无刷直流发电机永磁无刷直流发电机电枢绕组是直流单波绕组，采用二极管来取代电刷装置，两者连为一体，采用切向永磁体转子励磁，外电枢结构。此种电机不但具有直流发电机电压波形平稳的优点，也具有永磁同步发电机寿命长，效率高的优点，适合在小型风力发电系统中应用。2.3 永磁同步发电机永磁同步发电机采用永磁体励磁，无需外加励磁装置，减少了励磁损耗；同时它无需换向装置，因此具有效率高，寿命长等优点。当电机转子被风能驱动旋转时，定子与转子产生相对运动，在绕组

12、中产生感应电流。与等功率一般发电机相比，永磁同步发电机在尺寸及重量上仅是它们的1/3或1/5。由于此种发电机极对数较多，且操作上同时具有同步电机和永磁电机的特点，因此适合于采用发电机与风轮直接相连、无传动机构的并网形式。2.4 无刷双馈异步发电机其基本原理与有刷双馈异步发电机相同，主要区别是取消了电刷，此种电机弥补了标准型双馈电机的不足，兼有笼型、绕线型异步电机和电励磁同步电机的共同优点，功率因数和运行速度可以调节，因此适合于变速恒频风力发电系统，其缺点是增加了电机的体积和成本。2.5 全永磁悬浮风力发电机全永磁悬浮风力发电机结构上完全由永磁体构成、不带任何控制系统，其最大特点是“轻风起动，微

13、风发电”，起动风速为1.5m/s，大大低于传统的3.5m/s。通过采用磁力传动技术和磁悬浮技术，可克服永磁风力发电机输出特性偏软的缺点。系统由原动力传送装置、磁力传动调速装置、磁轮、永磁发电机等几部分组成。其低风速启动技术，对开发国内广大地区的低风速资源，增加风力发电机的年发电时间有积极意义。2.6 新式盘式永磁直流风力发电机盘式永磁发电机有多种结构,本文采用的是一种双边永磁体中间定子结构,其特点是由双转子和单定子组成双气隙,电机结构对称,铁心两侧气隙磁密相等。盘式永磁发电机的定子铁心一般不开槽,绕组可以粘结在铁心上,或者采用环绕法均匀地环绕于铁心上形成环形绕组定子,本例采用环绕法。转子是一个

14、圆盘,由高性能永磁材料粘结在实心钢上构成,两种极性的永磁体交替排列在圆盘上,上下两边的转子对应的磁体极性相反8。3 各国推出的新型风力发电机3.1意大利研制出新型风力发电机意大利科学家研制成功一种新型风力发电机风筝风力发电机，虽然它的外形并不起眼，但其发电量却有可能同核电站相媲美。这种风筝风力发电机的工作原理很简单:风筝在风力作用下，带动固定在地面的旋转木马式的转盘，转盘在磁场中旋转而产生电能。对于每个风筝来说，转盘都会放开一对高阻电缆，控制方向和角度。风筝并非是人们常见的那种类型，而是类似于风筝牵引冲浪的类型，具有重量轻、抵抗力强、可升至2000米高空的特点。据估计，这种风力发电机每兆瓦时的

15、成本仅为1.5欧元。而欧洲国家每兆瓦时发电的成本平均为43欧元，显然，风筝风力发电机的发电成本是后者的近三十分之一。据报道，旋转木马发电机的其他组件加起来的成本也只有36万欧元，而且只需要有限的空间。研制者认为，鉴于风筝风力发电机具有覆盖范围小却可产生巨大能量的特点，它将成为意大利国内首选风力发电机。3.2 瑞士研制出新型风力发电系统最近，瑞士开发出了一种新型风力发电系统，可大幅度减少发电成本。据介绍，新型发电系统的高压发电机产生的高压电流，通过新型直流变压系统处理后即可直接输入普通电网，无需再通过普通变压器进行变压处理。据测算，新系统可以将风力发电站的发电能力至少提高20%，每千瓦时的发电成

16、本将从目前的0.30.4瑞士法郎(1美元约合8.95瑞士法郎)降至0.20.25瑞士法郎。3.3 阿根廷推出新型风力发电机阿根廷推出了一种新型的风力发电机，这种风力发电机已安装在该国南部巴里洛切市。一般的风力发电机的风能利用率为30%，但这种风力发电机的风能利用率达到了60%。它有两个螺旋桨，一前一后安装，外面有集风套包裹。通常前面的螺旋桨会阻挡后面的螺旋桨接受的风速，但是设计师设计了双层集风套，也是一前一后，后面的1个套管在第2个螺旋桨后面形成低压区，加强了叶片的受力，旋转速度增加。这种风电机组没有变速箱，造价低，维修费用也随之降低。这种机组目前在试用的功率为30kw。4 技术发展趋势展望为

17、提高风力发电效率，降低成本，改善电能质量，减少噪声，实现稳定可靠运行，风力发电将向大容量、变转速、直驱化、无刷化、智能化以及微风发电等方向发展9：1）风力发电机大型化。这可以减少占地，降低并网成本和单位功率造价，有利于提高风能利用效率。2）风力发电机直接驱动。直接驱动可省去齿轮箱，减少能量损失、发电成本和噪声，提高了效率和可靠性。3）风力发电机无刷化。无刷化可提高系统的运行可靠性，实现免维护，提高发电效率。4）采用磁力传动技术和磁悬浮技术，使电机能够“轻风起动，微风发电”。总结综上所述，现代风力发电技术已日趋成熟，市场正逐步扩大。尽管风力发电量占全球总发电量的比例还比较轻，但近年来世界风力发电

18、发展十分迅速，每年其容量以30%的速度递增，以发展成为增长最快的新能源之一，并具备了与常规能源竞争的一定能力。作为风力发电系统核心的风力发电机就有更大作用，本文分析了传统的风力发电机和新型风力发电机等风力发电机的原理、性能、特点及各自的优缺点，提出了风力发电机未来的发展趋势，并对最近各国最新推出的新型发电机进行了描述，展望了未来风力发电机的发展方向。 参考文献1 chen wang, liming wang, libao shi, yixin ni. a survey on wind power technologies in power systemsj. power engineering

19、 society general meeting, 2007. ieee 24-28 june 2007 page(s):1 62 jinsong,kang, zhiwen,zhang, yongqiang,lang. development and trend of wind power in chinaj. 2007 ieee canada electrical power conference, epc 2007, p 330-335, 2007, 2007 ieee canada electrical power conference, epc 20073 li, h. chen, z. overview of different wind generator systems and their comparisonsj. renewable power generation, iet volu