风电机组发电机的技术发展和展望初探

韩建华

摘 要：风电机组的发电机性能对整个机组的运行有一定的影响，如何提升机组运行的可靠性和发电效率是重点。发电机的成本比较高，决定了整个机组的性价比，不同的发电机对控制系统的配置不同，同时配备的变频速率和技术要求不一样。发电机的体积和重量等影响到塔架和基础建设成本，因此在实施中必须做好发电机选择工作。本次研究中以风电机组发电机技术特点为基础，探究未来发展趋势。

关键词：风电机组;发电机;技术发展

近些年来风电产业取得突出的进步，成为全球的主力电源。风电技术形式是发展比较快的能源技术，尤其是风电机组本身，在20世纪90年代定桨距恒速技术发展到今天的变桨

距变速技术，单机容量也从300kW增大到3 MW，海上风机最大单机容量已达到10MW。在气候变化和能源需求的压力下，风电继续保持高速发展趋势，结合全球风能的管理情况，到2030年，全球风电装机达到8.3亿千瓦。

1.风电技术中出现的各种发电机组

风电机组的发电技术形式随着风电技术的发展逐渐改进的，在风电发展的初期，风电机组采取的是比较简单的直流发电机，直流发电机的造价比较高，在整个施工过程中，采取的是换向器和电刷，最大的特点是比较稳定，保养和维修难度大。近些年随着电力技术的不断发展，风电机组中的直流发电机很快被交流发电机取代。在并网风电技术实施之后，定桨距风力发电机组采取的是双速异步发电机，其中变桨距风力机组出现之后采取的是变速双馈异步发电机。

1.1早期的同步电机

早期的风力发电机组单机容量小，多数采取的是几十瓦到几千瓦的励磁式或者永磁式的发电机。永磁式的发电机效率比较高，运行更为安全和可靠。此外电机的重量轻，体积小，运行起来安全可靠。在实际应用中，输出电压调节相对比较困难，其中励磁式同步发电机，采取的是励磁式电流的方式调节，能调整发电机输出电压，输出电压相对而言比较稳定，但是发电机需要采取电刷滑环，可靠性差，养护的整体成本高[1]。

1.2适合定桨距机组的双速异步发电机

在当前的风力发电机的实际应用中，如何实现电机功率的调整是重点。在实施中，并网运行成为大规模风力发电的主流趋势，在整个过程中，采取的是同步发电机并网运行，在风机转速达到规定的要求后，向电网送电，风能资源得不到利用。此外同步发电机并网冲击电流比较大，危险性高，现有的定速的同步发电机无法适应风力发电的需求。在后续应用中，笼型异步发电机组允许在小范围内转速变化，和风轮透平的自适应性良好，运行过程更加的安全和可靠。定桨距风力发电机组采取的是单绕组双速异步发电机，通过有效的采用之后，运行相对可靠，造价比较低，加上维修保养方便，比较适合并网型风力发电。在实际应用中，笼型机的运行主要是电网或者外加补偿电容器提供励磁电流，由于功率比较低，电能质量差，加上发电成本低，因此在整个实施过程中，定桨失速型风力机无法顺利运行。

1.3适合变桨距机组的变速双馈异步发电机

近些年来我国的风力发电取得突飞猛进的进展，到了21世纪后，风力发电机的单机容量增加到兆瓦级和千兆瓦级，为了能进一步的提升风能效率，变速驱动取代了以往的定速驱动，依据变速双馈异步风力发电机的应用特点，在实施中，要通过技术的合理应用，使其成为一种技术趋势。其中双馈异步风力发电机组在风速低于额定风速的时候，电磁阻力转距受到影响，在风速高于额定风速的时候，通过调节叶片桨距角限制风力机，从风中获得过多的能量，避免机组超载。风电机组采取的是变速驱动前风轮形式，能变速运行。在较快的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提升了风力机的运行效率[2]。

2.风电机组发电机的未来发展趋势

2.1风机尺寸增加

近些年来，必须对风机制造引起重视，实施阶段的隐患问题多，因此要结合现状适当的增加风机尺寸。发展大风机的原始动力的目标是获得高海拔处的更多风能，但是经济性和运输问题等限制了风机尺寸的进一步增加，从根本上限制了 风机尺寸的理论依据是“平方-立方定律”，风电机组的输出功率和叶片的长度是二次方的关系，叶片质量和长度等是三次方的关系，如果叶片尺寸增加，超出了风机输出功率，经济性随之下降。要想提升风机的经济性，要降低叶片长度和质量间的比例关系。近些年来采取的是新型材料和技术，实现了比例关系。在具体发展中，要实现整机质量和叶片长度的平方关系，提升整体经济效益[3]。

2.2风轮合理设计

风轮的合理化设计也是重点，在当前预设过程中，风轮合理采用，能捕捉风能的设备。在实施中改进风轮设计，从而提升风机系统性，在当前的风轮创新设计中，采取符合要求的风轮材料，通过各个方面技术的合理化采用，能提升风机质量，减轻了叶片的重量，降低荷载水平，此外采取抗载设计形式符合风轮的设计需求[4]。

2.3叶片合理化设计

为了能增加叶片的扫风面积，不能改变基础设计，要通过各个方面的优化设计，体现出叶片的设计优势。通过各个方面的合理预设之后，增加了结构荷载。采取性能优越的碳纤维叶片材料，能适当的控制叶片质量，也对结构荷载产生积极影响。但是在整个阶段价格比较贵，“被动自减载荷叶片结构”是一种新颖的设计理念，其原理是通过合成材料的独特属性来调整叶片的结构性质，具体上而言，通过叶片负荷中的玻纤、碳纤铺层设计之后，让叶片产生材料诱导性，挥舞摆振或弯扭耦合变形效应。当叶片受瞬时风载时，这种弯扭变形将改变叶片攻角，减少作用在叶片上的升力，从而被动地减少疲劳载荷。在进行预设的过程中，曲形叶片是另外一种实现挥舞摆振耦合效应的方法，在此方法中，气动载荷使叶片产生弯曲动作，叶片攻角随着气动载荷变化而改变[5]。

2.4抗载设计

在风电机组设计中，抗载设计形式依托的是主动控制形式，在实施过程中，传感器感应转子荷载，主动抑制荷载从风轮到风机其他部分的传递。通过优化设计之后，不会改变系统本身的作用，在相同的容量下，提升了风机容量的系数。在低风速的增大风轮面积设计中，优化设计后能确保系统的平衡，从而获得高容量系数[6]。

结语

在实际的风力发电过程中，如何进行普及应用是重点，风力发电领域中以发电机技术为基础，通过合理化采用，围绕着提高设备运行效率和可靠性进行，通过优化管理，降低了设备制造的成本。近些年来，我国的风力发电以及设备制造行业取得突出的进步，在具体发展中，必须以风机核心技术为基础，實现整机技术的有效应用。

参考文献

[1]杨培文，李洪涛，杨锡运，张悦超.风电机组技术现状分析及未来发展趋势预测[J].电力电子技术，2020，54（03）：79-82.

[2]冯江华.风电变流器的技术现状与发展[J].大功率变流技术，2013（03）：5-11+34.

[3]张永明，史伟伟.风力发电机低电压穿越技术发展现状[J].电机与控制应用，2012，39（07）：6-11.

[4]高辉.大容量风电机组技术发展动态研究[J].风能，2012（07）：66-72.

[5]杨思韫.大型风电机组技术发展趋势及展望[J].中国电业（技术版），2012（05）：64-68.

[6]於岳亮.风电机组发电机的技术发展和展望[J].电力与能源，2011，32（04）：325-328+334.