風力發電的技術經濟探索

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本文作者：胡明旭王維華工作單位：哈電集團現代制造服務產業有限責任公司

1風電設備型式的演化

齒輪箱存在的主要問題是噪聲、磨損、功率損耗、維修、油污等,特別是在高達百米的高塔上作業,頻繁地進行維修、更換部件,使廠家不堪承受,目前尚無保證其壽命的成熟技術。然而,為了達到更高的速比,使用多級齒輪箱更適宜。單級齒輪箱的速比選為6,齒輪箱功率損耗與速度成比例,三級齒輪箱損耗功率是額定功率的3%,單級是額定功率的1.5%。從1991年開始,推出無齒輪箱發電機系統,即所謂的直驅式發電機,主要是為了避免齒輪箱故障和減少維護量。為了和電網聯接,這種風電設備還需要一個全功率電力電子變流器。然而配套的低轉速、高轉矩發電機和全功率變流器是相當貴的,因此,那時大多數采用直驅式直流或交流電勵磁的發電機,后來推出永磁鋼勵磁,從而消除了勵磁損耗。為了增加功率和降低轉速,直驅式發電機變得越來越大和更加昂貴,為此提出了采用一個單級齒輪箱(速比為6或者更高)的裝置,這一系統雖然仍有帶齒輪箱、直驅式系統昂貴的發電機及全功率變流器等缺點,但與直驅式系統相比,它可以使發電機成本降低,效率提高。這個系統發電機的轉矩仍然相當高,轉速相當低,擁有一個大的直徑和氣隙,就有大的勵磁電流和高的損耗。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勢。這種單級齒輪箱的使用,使得整機外形尺寸顯著縮小。

2風輪機特性

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為轉輪半徑,m;v為風速,m/s;C為功率系數,即空氣動力效率,%;d為葉尖速比,葉尖周速/風速;a為槳葉節距角。2.2主要參數以P=3MW,額定轉速為15r/min,額定風速v=12m/s,平均風速…v=7m/s,轉輪直徑為90m,最優葉尖速比8,最大空氣動力效率(轉輪)為48%,空氣密度Q=1.225kg/m3為例進行結構布置方案對比。

3結構布置方案對比

研究了五種風力發電機系統,即帶三級齒輪箱的異步發電機、直流電勵磁的直驅式同步發電機、直驅式永磁發電機、帶單級齒輪箱的永磁發電機以及帶單級齒輪箱的異步發電機,其主要技術經濟指標見表1。3.1帶三級齒輪箱的異步發電機極對數選擇3,轉速為1000r/min,齒輪箱增速比為80,發電機的額定轉速為1200r/min,氣隙4.2mm,鐵心長0.75m。這個系統中齒輪箱的損耗是主要的,大約占總損耗的70%。3.2直驅式直流勵磁同步發電機從電磁觀點考慮,大氣隙尺寸更好,但是機械設計、結構和運輸更加困難。5mm的氣隙尺寸是折中方案。兩極電機,每極每相槽數是2。這個值增加時使發電機更重更貴,這是因為增加了端部繞組和軛部的尺寸。這個值減少時將導致勵磁損耗明顯增加,特別是在部分負載時。這個系統損耗主要是定、轉子中的銅損。使用更多的材料可以降低銅損,但發電機變得更加昂貴。鐵耗是小的,低于系統年損耗的5%。使用損耗大的疊片鐵心結構幾乎不影響性能。3.3直驅式永磁同步發電機氣隙本身尺寸選擇為5mm,也是折中方案(原因同上)。發電機采用4極,與/直勵-同步0方案相比,極數加倍,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-同步0那樣會增大勵磁損耗。發電機結構成本比電流勵磁發電機更小。變流器的損耗是其中最大的損耗。鐵耗不能被忽略,在風速達到8m/s時,其損耗比銅耗大,并且發電機系統中超過15%年損耗是鐵耗。3.4帶單級齒輪箱的永磁發電機盡管帶單級齒輪箱的異步發電機的速度比直驅式發電機高出很多,90r/min的額定速度還是有些低,因此發電機還是被造成大直徑的環形電機。定子與轉子之間的氣隙選為3.6mm,以消除最重要的運輸問題。在這個系統中,變流器和齒輪箱中的損耗是主要的。額定速度下發電機的鐵耗與銅耗處于相同的數量級,這是由于采用84Hz的高頻率造成。3.5帶單級齒輪箱的異步發電機氣隙為3.6mm,額定轉速是90r/min(異步發電機本身是75r/min),極對數是40,每極每相槽數是2。在籠型異步發電機中,這將導致大的附加損耗,但是在繞線式轉子異步發電機中,這是可以接受的。由于相當大的氣隙和高的極對數,勵磁電流相當大。為了使勵磁電流減小到一個可接受的水平,槽是半閉口的,氣隙可取2mm,這就需要有一個高剛度的軸承和支持結構。

4結語

通過上述分析得出以下結論:(1)帶有3級齒輪箱的轉子交流勵磁異步發電機是最輕的,在商業上的應用很廣。然而因為它采用由銅和鐵心組成的標準部件,它的齒輪箱損耗很高,效率很低,進一步改進會受到限制。(2)大型直驅式轉子直流勵磁的同步發電機,但它是最重、最貴的。#142#(3)永磁同步發電機是另一種無齒輪箱直接驅動式發電機。對于相同的氣隙尺寸,發電機有效消耗的材料的質量接近減半,而效率卻能提高幾個百分點,它有最高的能量輸出。與帶齒輪箱的發電機系統相比,它就比較貴。但應注意到,永磁鐵和電力電子元件的成本正在降低,發電機系統正在優化,如果帶上簡單的一級齒輪箱,成本可被削減。(4)依據單位成本的年輸出電量看,帶簡單的一級齒輪箱的轉子交流勵磁異步發電機是最好的選擇,性價比最高,其變流器容量小,損耗和成本都被削減。(5)進一步提高風力發電裝置可靠性和可利用率是重要的課題,尤其對那些海上風力機。采用標準產品的發電機和變流器,在標準化、成本和可靠性方面會有好處。(6)只要有諸如齒輪箱和電刷之類的易磨損器件,就會帶來麻煩。使用直流勵磁的同步發電機,由于采用了全容量變流器,改進了可靠性,消除了因電網事故產生的電壓擾動問題,可能是最好的方案。它沒有電刷和齒輪箱,卻需配置全容量變流器。(7)定子線圈采用超高壓新技術的大型永磁發電機已成功運行,它可以直接并網而不需要經過變壓器,也不用齒輪箱和電刷之類的易磨損器件,設備的簡化使電力系統降低了成本,節省了投資,減輕了維護,提高了經濟效益。按照國際標準進行評估的結果還證明,它對環境的危害大幅度減少,較高的經濟性能和環保優勢使其前景看好。