兆瓦级风力发电机综述

兆瓦级风力发电机综述摘要: 阐述了风力发电机的组成及设计思想 ; 介绍了新型兆瓦级风力发电机产品 , 如双馈异步、永磁和电励磁同步及直接驱动等发电机 , 为我国自主研制风力发电系统提供有价值的参考。

关键词: 风力发电机; 直接驱动; 双馈异步; 永磁同步中图分类号: TM315 文献标识码:A 文章编号 : 1673 2 6540 (2007) 02 2 0001 2 04Overview of Megawatt Wind GeneratorAbstract: The structure and design thought of wind generator were exp lained. The newly p roducts of megawatt wind generator such as double feed asynchronousmotor, permanentmagnet generator, excitation synchronous generator and directly drive generatorwere introduced. The designed wind generator p rovided some valuable reference to our self - design wind generator.Key words: wind generator; directly drive; double feed a synchronous; permanentmagnet synchronous0 引言大气污染、水环境恶化与矿物质能源枯竭 , 给人类发展提出了新的问题 , 从而使可再生能源的利用成为科技工作者们重视研究的热门课题。

可再生能源主要是指太阳能、风能、地热能、潮汐能和生物质能等洁净能源。

风力发电正是利用自然界气候变化引起大气环流过程中的风能造福人类的发电形式之一。

自20 世纪 70 年代以来 , 风力发电取得了飞速发展。

目前单机功率已达到数兆瓦 , 风电场功率已超过数百兆瓦 , 且风力发电正从内陆向近海发展。

本文主要综述兆瓦级风力发电机组成、设计思想 , 以及风力发电机的最新进展。

1 风力发电机组成1 . 1风轮大型风力发电机的风轮结构分为水平轴、垂直轴 ( 达拉斯 ) 和扩散体三种。

风轮转子直径随着风力发电机功率的增大而增大。

风轮叶片通常是三片。

叶片材料主要是增强型树脂玻璃纤维、增强型聚酯玻璃纤维和碳纤维 , 表面涂层为浅灰色以防光反射。

有的叶尖是可旋转的 , 作为风力发电机主空气动力制动扰流器。

变桨距功率控制的叶片用应急电源同步控制 , 具有雷电保护功能。

风轮的运行是全自动的。

风速达到切入风速 3 ～ 4 m / s 时 , 风轮起动。

发电机通过控制器软切换并网。

只要风速在允许范围内 , 风轮产生的电功率会输送给电网。

随着风速增加 , 风力发电机输出功率也相应增加 ; 但当风速达到额定风速后 , 发电机输出额定功率。

风速超过切出风速时 , 风轮因安全缘故而关闭。

1 . 2齿轮箱低速直接驱动采用无增速齿轮箱 ; 混合驱动采用一级齿轮传动 ; 高速驱动有多级齿轮箱。

多级齿轮箱的第一级是结构紧凑且坚固的高转矩行星齿轮 , 第二和第三级为旋转级。

齿轮箱用强力橡皮垫固定 , 起到降噪和阻尼峰值负荷冲击的作用 , 在极端负荷情况下可使齿轮箱和轴承免遭损坏。

齿轮箱内的冷却油与发电机冷却系统的热交换器相连。

系统监控油温以确保冷却油保持恒定或最佳温度值。

1 . 3发电机早期大型风力发电机用双绕组 4 /6 极异步发电机 , 根据风速变极、定桨距和失速功率控制。

后来采用双馈异步发电机 , 可变速和变桨距功率控制。

目前 , 兆瓦级风力发电机仍然以双馈异步发电机为主 , 电励磁同步发电机和永磁同步发电机也在不断发展占领风电市场。

发电机设计性能应满足高效率最佳运行 , 适合宽范围转速调节 , 采用 F 级绝缘 , 可工作在 B 级绝缘 , 这样可延长发电机寿命。

发电机安装在机舱内比安装在塔底地面有利于空气流通散热。

而且发电机负荷与空气流速成比例增大 , 风速较低时 , 绕组散热慢 , 但发电机产生的热量也少。

相反 , 风速较高时 , 发电机产生的热量多 , 空气流动散热的速度也越快。

1 . 4偏航系统偏航系统采用四点球轴承回转环 , 确保风轮处于正确的风向位置。

偏航操作由三个行星齿轮完成 , 每一个由电力电子控制的电机驱动 , 这样偏航齿轮的负荷大小均匀。

偏航制动由六个液压制动器控制的大盘制动 , 且每一个偏航齿轮独立制动 , 整个系统保证偏航控制平滑。

当偏航结束 , 机舱就固定不动 , 而且偏航齿轮也不承受负荷。

偏航系统有两个独立的风向标检测风速并送主计算机 , 保证风能最佳利用且驱动链应力最小。

1 . 5雷电保护风力发电机的塔架一般有圆锥形钢结构和梯形栅格钢结构两种。

圆锥形钢结构内部安装楼梯、安全线路、工作平台和照明系统。

塔架基础采用地下钢筋混凝土结构。

随着塔身高度增加 , 风轮叶片遭受雷击的概率也增加 , 必须设计防雷系统。

如果风轮或机舱遭受雷击 , 雷电保护系统会将雷电电流引入接地系统。

1 . 6控制器风轮功率控制采用大功率整流 2 逆变控制器 , 以及有源滤波和无功补偿。

信号处理通常有两个独立的计算机或高速数字信号处理芯片。

主机在地面控制室的开关柜内 , 从机设在机舱内。

所有来自传感器和变送器的输入信号都由从机汇集和处理 , 再传送给主机。

主机监控风轮所有的运行状态。

主机和从机间通过光纤达到可靠快速地交换信息。

风力发电机完全实现远程监控 , 从远程计算机可读取所有风轮数据。

一旦出现错误 , 风轮控制器会自动报告事件 , 控制器中的数据也进行备份保存 , 以便查看发生了什么样的错误。

2 风力发电机设计思想2 . 1重要性指标风力发电机系统设计重要性的指标按照百分数表示依次为 : 可靠性 100 % , 易用性 92 % , 易安装 91 % , 过电压保护 89 % , 满足空间要求 87 % , 易维护85 % , 能应对功率冲击 79 % , 易更新或替代 77 % , 有源滤波 76 % , 效率74 % , 端部绑扎 72 % , 模块化设计 68 % , 传统冷却 66 % , 冗余度 51 % , 前端面板电压调节 50 % , 自动功率因数校正 39 % , 电压和电流仪表 33 % , 涂料 28 % , 搬运 15 % 等。

2 . 2设计思想2. 2. 1 丹麦设计概念大型风力发电机组最初以丹麦的设计概念为代表 , 建立一种坚固、非整体结构、齿轮传动、三叶片、定速风轮、失速功率控制。

这种设计理念由于风轮转速无法调节 , 发电机采用双绕组变极异步发电机 , 风能利用率较低。

后来 ,Vestas 风能系统 A /S 公司提出变桨距叶片和半定速系统 , 即转差率最优控制策略Op tiSlip TM 。

事实上 , 该公司于 2000 年才采用变速风力发电系统 , 并自主生产玻璃纤维增强环氧树脂 ( GFRE) 风轮叶片、底盘和其它关键部件。

风力发电要求变速控制 , 双馈异步发电机定子直接与电网连接 , 绕线转子用功率变换器控制转子转速 , 因此发电机只要用 20 % ～ 30 % 额定功率的变换器就可达到输出额定电功率的目的 ; 同时避免由于动态风速变化引起风轮功率变化 , 减轻对齿轮箱传动链的影响。

2. 2. 2 混合设计概念德国航空动力能源系统有限公司提出多兆瓦混合型 Multibrid M5000 风力发电机。

它是第一台 5MW 海上风力发电机 , 采用变速失速型控制、海水冷却、中低速发电机、轻巧轮毂设计、单级行星齿轮箱等。

2. 2. 3 直接驱动概念随着风力发电机功率增大 , 风轮尺寸也增大 , 升速齿轮箱成本显得尤为突出。

高转矩低速直接驱动发电机直接与风轮转子耦合 , 无须增速齿轮箱。

直接驱动可避免齿轮、冷却与润滑油的故障及更换与维护成本。

直接驱动系统采用低速多极同步发电机 , 取消了齿轮箱 , 但发电机外径尺寸大 , 比质量高 , 输出功率必须经过全功率变换器并网发电。

德国 Enercon 有限公司自 1992 年建立第一台 500 kW 变速直接驱动概念风力发电机 E 2 40 以来 , 已形成 E 2 47, E 2 58, E 2 66, E 2 72 和 E 2 112 等系列产品及其性能评估和功率控制标准。

2. 2. 4 模块化设计概念模块化设计概念的提出可降低制造成本。

由于风力发电机产量少 , 采用模块化设计无论是电机本体 , 还是系统功率控制 , 都能更好地适应商业限量生产风力发电机系统的需要。

2. 2. 5 高压发电机概念通常风力发电机电压等级为 690 V 或 960V 。

兆瓦级风力发电机的电流很大 , 造成其电线安装和运行成本很高。

ABB 公司已研制成 IGCT ( 集成门极换向晶闸管 ) 构成的功率从 1 000 kW 到 5 000 kW 的全功率变换器。

IGCT 比 IGBT ( 绝缘栅双极晶体管 ) 耐压高、电流大 , 使整个系统功率器件较少、转换效率高 , 降低了系统运行和维护成本。

该公司中压交流永磁同步风力发电机用高压直流 15 ～ 25 kV 输电系统 (ABB 为挪威 2 瑞典合资公司 ScanWind 开发的3 MW 直接驱动风力发电机 ) 可降低电缆成本 , 减少控制器件并联数目 , 减小功率变换器体积 , 因电阻损耗小对冷却的要求也可以降低。

该公司还设计出具有竞争优势和价格合理的直接并网型高压风力发电系统 Wind - form TM 。

但是高压发电机在防止电网解列、高压放电故障等方面风险投资更大。

3 兆瓦级风力发电机在欧美 , 兆瓦级风力发电机早开始研发 , 但直到 1973 年中东石油引发能源危机才开始安装 1 ～ 4MW 风力发电机。

由于早期风力发电机存在机械强度低、低频噪声 , 以及功率控制困难等因素而未能推广。

大规模商业化生产 1. 0 ～2. 0 MW 功率风力发电机则是在 1990 年以后 , 主要是陆地风电场建设 , 如表1 所示。

但由于当时的风力发电机功率主要是失速型变桨距控制 , 风能利用率不高 , 且增速齿轮箱结构强度等原因毁机事故频繁。

目前风力发电机控制基本上是变速变桨距功率控制 , 风能利用率提高 , 由于功率控制器件的改进 , 容量也不断提高 ( 如表 2 所示 ) 。

表 3 给出了新研制的兆瓦级风力发电机参数。

3 . 1双馈异步发电机德国 REpower 5M /5MW 六极双馈异步风力发电机 , 2004 年 10 月安装在德国的布鲁斯波特。