风力发电的技术经济探索

本文作者：胡明旭王维华工作单位：哈电集团现代制造服务产业有限责任公司

1风电设备型式的演化

齿轮箱存在的主要问题是噪声、磨损、功率损耗、维修、油污等,特别是在高达百米的高塔上作业,频繁地进行维修、更换部件,使厂家不堪承受,目前尚无保证其寿命的成熟技术。然而,为了达到更高的速比,使用多级齿轮箱更适宜。单级齿轮箱的速比选为6,齿轮箱功率损耗与速度成比例,三级齿轮箱损耗功率是额定功率的3%,单级是额定功率的1.5%。从1991年开始,推出无齿轮箱发电机系统,即所谓的直驱式发电机,主要是为了避免齿轮箱故障和减少维护量。为了和电网联接,这种风电设备还需要一个全功率电力电子变流器。然而配套的低转速、高转矩发电机和全功率变流器是相当贵的,因此,那时大多数采用直驱式直流或交流电励磁的发电机,后来推出永磁钢励磁,从而消除了励磁损耗。为了增加功率和降低转速,直驱式发电机变得越来越大和更加昂贵,为此提出了采用一个单级齿轮箱(速比为6或者更高)的装置,这一系统虽然仍有带齿轮箱、直驱式系统昂贵的发电机及全功率变流器等缺点,但与直驱式系统相比,它可以使发电机成本降低,效率提高。这个系统发电机的转矩仍然相当高,转速相当低,拥有一个大的直径和气隙,就有大的励磁电流和高的损耗。然而,变流器的额定容量可以降到30%,从成本和效率方面占有优势。这种单级齿轮箱的使用,使得整机外形尺寸显著缩小。

2风轮机特性

2.1功率P=(1/2)QCr2v3(1)式中:P为功率,MW;Q为空气密度,kg/m3;r为转轮半径,m;v为风速,m/s;C为功率系数,即空气动力效率,%;d为叶尖速比,叶尖周速/风速;a为桨叶节距角。2.2主要参数以P=3MW,额定转速为15r/min,额定风速v=12m/s,平均风速…v=7m/s,转轮直径为90m,最优叶尖速比8,最大空气动力效率(转轮)为48%,空气密度Q=1.225kg/m3为例进行结构布置方案对比。

3结构布置方案对比

研究了五种风力发电机系统,即带三级齿轮箱的异步发电机、直流电励磁的直驱式同步发电机、直驱式永磁发电机、带单级齿轮箱的永磁发电机以及带单级齿轮箱的异步发电机,其主要技术经济指标见表1。3.1带三级齿轮箱的异步发电机极对数选择3,转速为1000r/min,齿轮箱增速比为80,发电机的额定转速为1200r/min,气隙4.2mm,铁心长0.75m。这个系统中齿轮箱的损耗是主要的,大约占总损耗的70%。3.2直驱式直流励磁同步发电机从电磁观点考虑,大气隙尺寸更好,但是机械设计、结构和运输更加困难。5mm的气隙尺寸是折中方案。两极电机,每极每相槽数是2。这个值增加时使发电机更重更贵,这是因为增加了端部绕组和轭部的尺寸。这个值减少时将导致励磁损耗明显增加,特别是在部分负载时。这个系统损耗主要是定、转子中的铜损。使用更多的材料可以降低铜损,但发电机变得更加昂贵。铁耗是小的,低于系统年损耗的5%。使用损耗大的叠片铁心结构几乎不影响性能。3.3直驱式永磁同步发电机气隙本身尺寸选择为5mm,也是折中方案(原因同上)。发电机采用4极,与/直励-同步0方案相比,极数加倍,这是为了减少去磁作用,减少轭部和端部绕组的尺寸。由于使用了永磁铁,并不像/直励-同步0那样会增大励磁损耗。发电机结构成本比电流励磁发电机更小。变流器的损耗是其中最大的损耗。铁耗不能被忽略,在风速达到8m/s时,其损耗比铜耗大,并且发电机系统中超过15%年损耗是铁耗。3.4带单级齿轮箱的永磁发电机尽管带单级齿轮箱的异步发电机的速度比直驱式发电机高出很多,90r/min的额定速度还是有些低,因此发电机还是被造成大直径的环形电机。定子与转子之间的气隙选为3.6mm,以消除最重要的运输问题。在这个系统中,变流器和齿轮箱中的损耗是主要的。额定速度下发电机的铁耗与铜耗处于相同的数量级,这是由于采用84Hz的高频率造成。3.5带单级齿轮箱的异步发电机气隙为3.6mm,额定转速是90r/min(异步发电机本身是75r/min),极对数是40,每极每相槽数是2。在笼型异步发电机中,这将导致大的附加损耗,但是在绕线式转子异步发电机中,这是可以接受的。由于相当大的气隙和高的极对数,励磁电流相当大。为了使励磁电流减小到一个可接受的水平,槽是半闭口的,气隙可取2mm,这就需要有一个高刚度的轴承和支持结构。

4结语

通过上述分析得出以下结论:(1)带有3级齿轮箱的转子交流励磁异步发电机是最轻的,在商业上的应用很广。然而因为它采用由铜和铁心组成的标准部件,它的齿轮箱损耗很高,效率很低,进一步改进会受到限制。(2)大型直驱式转子直流励磁的同步发电机,但它是最重、最贵的。#142#(3)永磁同步发电机是另一种无齿轮箱直接驱动式发电机。对于相同的气隙尺寸,发电机有效消耗的材料的质量接近减半,而效率却能提高几个百分点,它有最高的能量输出。与带齿轮箱的发电机系统相比,它就比较贵。但应注意到,永磁铁和电力电子元件的成本正在降低,发电机系统正在优化,如果带上简单的一级齿轮箱,成本可被削减。(4)依据单位成本的年输出电量看,带简单的一级齿轮箱的转子交流励磁异步发电机是最好的选择,性价比最高,其变流器容量小,损耗和成本都被削减。(5)进一步提高风力发电装置可靠性和可利用率是重要的课题,尤其对那些海上风力机。采用标准产品的发电机和变流器,在标准化、成本和可靠性方面会有好处。(6)只要有诸如齿轮箱和电刷之类的易磨损器件,就会带来麻烦。使用直流励磁的同步发电机,由于采用了全容量变流器,改进了可靠性,消除了因电网事故产生的电压扰动问题,可能是最好的方案。它没有电刷和齿轮箱,却需配置全容量变流器。(7)定子线圈采用超高压新技术的大型永磁发电机已成功运行,它可以直接并网而不需要经过变压器,也不用齿轮箱和电刷之类的易磨损器件,设备的简化使电力系统降低了成本,节省了投资,减轻了维护,提高了经济效益。按照国际标准进行评估的结果还证明,它对环境的危害大幅度减少,较高的经济性能和环保优势使其前景看好。