引言 能源、环境问题是当今人类生存和发展所面(2)
2013-05-15 20:29
导读：2 风力发电机的研究现状 发电机是风电系统实现风能转换的核心部件之一，是将原动力与输出电能相连接的工具，它不仅直接影响到输出电能的质量和效率
2 风力发电机的研究现状
发电机是风电系统实现风能转换的核心部件之一，是将原动力与输出电能相连接的工具，它不仅直接影响到输出电能的质量和效率，也影响到整个风电转换系统的性能和装置的结构。风力发电机按风轮主轴的方向可分为水平轴和垂直轴风机；按风向可分为上风向和下风向风机；按偏航形式可分为被动偏航与主动偏航风机；按风轮桨叶可分为定浆距和变浆距风机；按传动方式可分为有齿轮箱传动和直驱型风机；按发电机型式可分为笼式异步发电机、双馈异步发电机和永磁型同步发电机[6]。目前，用于风电系统中的发电机主要有以下几种[7-8]：
（1）异步发电机
异步风力发电机以恒速运行，采取失速调节或主动失速调节，主要采用异步感应电机。发电机通常直接联入电网，当容量过大时也可以通过晶闸管控制的软投入法接入电网。在同步转速附近合闸并网，冲击电流比较大，另外需要电容无功补偿；变速运行时，定子侧变频器的容量与发电机容量相当，约为发电机容量的125%。这种机型比较普遍，各大风力发电机制造商如Vestas Bonous，NEG Micon，Fuhrlander，Nordex 都有此类产品。
（2）双馈发电机
为了降低发电系统中变换器的功率，双馈发电机开始应用于风力发电系统中。双馈发电机起源于绕线式转子异步发电机，是一种通过对转差率的控制，来实现双馈调速发电机，故所需变换器的功率较小。相对于绕线式发电机来说，双馈发电机的转子能量没有被消耗掉，而是通过变换器在发电机转子与电网之间双向流通，变换器起到提供无功补偿，平滑并网电流的作用。但它是一种有刷结构的电机，运行可靠性差，需要经常维护，而且这种结构的电机不适合在环境比较恶劣的风电系统中运行。无刷双馈电机的出现弥补了原双馈电机的不足，其定子上有两套极数不同的绕组，分别为控制绕组和功率绕组。发电机的定子绕组直接与电网相连，转子与功率变换器相连，变换器的另一端与电网相连，通过特殊的控制方式，该发电机可实现发电机有功功率和无功功率的独立控制。
（转载自http://www.ＮＳＥＡＣ.com中国科教评价网）
（3）同步发电机
风电系统中同步发电机的应用也是比较广泛的，所用同步发电机绝大部分是三相电机，其输出联接到邻近的电网或输配电线。同步发电机有永磁同步发电机和电励磁同步发电机两种。永磁同步发电机不需要直流励磁电源和励磁绕组，取消了容易出故障的集电环和电刷等装置，是一种无刷结构的电机。同时不存在励磁绕组的铜损耗，比同容量的电励磁发电机效率高，运行可靠，结构简单。同步发电机并网合闸前，为避免电流冲击和转轴受到突然的扭矩，需要满足一定的并网条件，即端电压、频率与电网必须相同。结合风电系统的特点，要求发电机具有：高质量地将风能转化为电压、频率恒定的交流电；高效率地实现机电能量转换；稳定、可靠地同电网等其他发电装置联合运行。风力发电机正向着高可靠性，低维护量，少组件，低成本，高效率，高集成度的方向发展。
除了前述的笼型异步发电机、双馈异步发电机、同步发电机，各国研究人员还在不断地提出一些新型风力发电机，如开关磁阻发电机、爪极发电机、定子双馈电双凸极发电机、横向磁通发电机、复合励磁永磁同步发电机、高压发电机等[9-12]。
（1）横向磁通发电机
常规电机一般为径向磁通电机，其磁路方向一般为沿转子的半径方向，横向磁通发电机（Transverse Flux Generator）与常规的电机磁通回路方向不同，磁路方向为转子的轴向方向。与同容量的一般发电机相比，横向磁通发电机在尺寸及重量上仅是它们的1/3 或1/5。用于风电机组时，可以做成多极对数的电机，且可以同时具有同步电机和永磁电机的特点。因此，适用于直驱式无传动机构的并网形式。但横向磁通发电机的控制非常复杂，而且气隙磁通是非正弦的。当发电机转子转动时，磁路的变化是连续的、非线性的。这就加大了对电机设计和分析的难度，给机组制造带来了很大的困难。故这种电机是否满足在风电系统中运行，还要继续深入的研究。
