大型风力发电机的发展新动向∗

王维庆，何 山，董新胜，郭 亮，陈 洁

(1.新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830049；2.可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心，新疆 乌鲁木齐 830049；3.新疆电力科学研究院，新疆 乌鲁木齐830011；4.新疆产品质量监督检验研究院，新疆乌鲁木齐 830011)

0 引言

目前风力发电势头强劲，2020年全球风力发电装机将达12.31亿kW，年发电量3万亿kWh，风力发电量将占全球总发电量的12%.“十二五”期间，我国争取使非化石能源在一次能源消费的比例达到11.4%，2020年这一数字将达15%.

风力发电机是能量转换的重要部件，直驱永磁以及双馈风力发电机是目前的主流机型.永磁直驱发电机转子为永磁结构，结构简单，省去了齿轮箱（半直驱式有速比较少的齿轮箱），机组采用全功率变流器；为适应低速旋转而设计成饼状，直径较大；永磁体成本较高，高温时存在退磁现象，应防止永磁体受到电枢磁场作用退磁.目前，永磁体已经可以回收再次利用，可降低部分电机的总价，但稀土作为一种稀缺资源，随着国家政策的调整，价格波动会较大，一定程度影响此机型的价格和推广.双馈风力发电机有齿轮箱，体积较小，转子功率可达总功率30%，功率便于控制，大型机的转子电压可达1kV以上，但转子上易损坏的电刷、滑环结构阻碍了此种电机的发展，目前在向无刷方向发展（具有功率绕组和控制绕组两套绕组），结构较复杂，尚在理论研究阶段，无具体的工业产品.以上机型电压多为690V，电压低、电流大，需使用变压器并网，发电机绕组结构和并网方式复杂，使用开关、母线、断路器、互感器等部件多，效率低.

随着材料工业的不断进步，新型发电机也不断涌现，其中能直接上网的高压风力发电机，大容量超导风力发电机，液压型风力发电机，无刷双馈风力发电机等就是其中的佼佼者，它们结构新颖，并网方式特别、有独特的优势且具有良好发展应用前景.

1 高压风力发电机

随着绝缘材料的进步，新型高压发电机发展也很快.ABB公司和保定天威风力发电公司签署协议，开发高压电机，可应用于传统发电机和新型风力发电.高压发电机采用交联聚乙烯圆形电缆（XLPE）（见图1）整根绕成，中间无接头，电流小、电密低，损耗小，简化了冷却系统，采用二极管整流，发电机直接上网（见图2），省去了变压器、开关、母线、断路器、互感器等部件，降低了有功损耗，发电机效率可提高0.5%～2.0%[1]，系统总效率可提高6%.

图1 交联聚乙烯圆形电缆（XLPE）结构

图2 高压风电机组直接上网原理图

高压发电机圆形截面电缆的导体中电场分布很均匀，无传统矩形截面导体线棒角部电场集中问题，能可靠运行在10kV/mm或更高等级的电场强度环境；定子绕组感应电势从中性点至线端逐渐升高，电场强度也随长度增加而增大，电缆不同位置的绝缘厚度不同；电缆外半导体层接地（与定子铁心槽壁直接接触），其电位近似为零，易于控制端部电磁场，绕组的任何区域不存在局部放电和电晕的危险，也利于人身安全；采用特殊结构的三角形硅橡胶软管热固性材料固定绕组，减小振动[2].ABB公司开发了12kV（3-5MW）风力发电机，该技术可将风力机的功率提高到300MW以上.哈尔滨理工大学的戈宝军团队积极研发用于火电厂的高压发电机，200kW、5kV模拟样机完成了实验测试，2MW、35kV样机在设计中[3].

2 超导风力发电机

高温超导电机用高温超导体代替普通电机的铜线圈作为励磁绕组，高温超导材料有高载流能力（是相同截面铜导线的100～200倍），允许取消或部分取消电机铁磁回路，有效工作磁场可达几T，利于电机结构紧凑、体积和质量更小.现在的高温超导材料最高临界温度约为130k.该技术用于风力发电，相同容量的发电机，重量可降低为常规电机的1/2～1/3；超导材料无损耗，铜耗可减少1/2，机械耗也可降低，效率高.超导电机同步阻抗低、噪声低、谐波含量少、维护简单、励磁绕组不易产生热疲劳.若体积重量不变，则高温超导发电机容量可提高数倍，有效降低成本.高温超导发电机在非额定负载下的效率较高，可在很宽的转速范围内有较高的效率.目前国内已经完成了100 kW等级高温超导电动机样机的研制，2007年北京英纳超导技术公司开展了高温超导风力发电项目的前期准备.

2007年3月，Converteam和Zenergy公司合作开发生产风力发电和小型水力发电用高温超导发电机，设计的8MW（额定转速为12 rpm）直驱式高温超导风力发电机体积明显小于常规电机，质量只有常规电机的1/4，发电成本可节约25%，现已完成了高温超导线圈的制造、测试工作.

美国超导公司继完成世界最大容量36.5MW高温超导电动机研制后，2007年10月启动了10MW海上直驱高温超导风力发电机研制，开发高温超导线材作励磁绕组的发电机.转子上用高温超导线圈替代常规铜线圈，结合全新开发的高效定子设计，实现较常规发电机和变速箱系统体积小、质量轻、效率高.预期10 MW直驱式发电机质量约120 t（为同规格常规发电机的1/3），转速在11 rpm下满载运行.

高温超导发电机应用于直驱式风力发电系统，技术上有一定的领先性，有助于掌握大容量直驱风力发电机组核心技术，促进我国风力发电产业及高温超导应用技术研究实现跨越式发展[4].

3 液压风力发电机

风力机将风能转换成机械能，推动液压泵，转换成液压能，流体传递能量，液压能传输到变量马达，马达驱动励磁同步发电机将液压能转换成电能.采用定量泵-变量马达容积调速系统做主传动系统，通过改变变量马达的排量实现液压传动比时时可调，控制发电机工作于同步转速，实现了励磁同步发电机用于风电（见图3）[5].

图3 液压传动风力发电机原理框图

用静液压传动取代了齿轮箱刚性传动，降低了齿轮箱传动故障率；解决了永磁发电机体积大、用铜量高、成本高的问题；液压传动，实现传动比实时可调，系统灵活性较高，可实现柔性控制，抑制风速波动对电能质量的影响；以准同期方式接入电网，具有电励磁同步发电机的优点，可据电网需求调整功率因数，有较强的低电压穿越能力.

针对液压传动特点，此机型一般选用双叶片型，负载转矩较低，风轮转速较快，液压油易渗漏，增加了定量泵等设备，涉及的控制策略较复杂：变转速输入下恒转速输出控制、发电机并网后功率控制、以最优功率追踪为目的的风力机转速主动控制等.

4 海上风力发电机

海上环境恶劣，高温潮湿，盐雾严重，霉菌易滋生，要求电机具有强抗腐蚀的能力，并具备良好的绝缘性能，满足通风散热及温升水平.整机可采用国际品牌防腐涂装，一些部件采用锌铬涂层、电镀锡处理或不锈钢材料；铁心和绕组工作时发热量较大，表面温度高，为满足良好的通风散热，可在发电机顶部增加引风机，将铁心热量吸向空冷器，增加整个电机风路动力，且对电机整体结构及电气性能影响不大.机组以及叶片和塔架等需具备抵御海上振动及载荷变化的能力，可靠性高，发电机便于安装维护.传统的发电机体积庞大，海上吊装维护存在巨大困难，若采用高温超导技术，重量可降低为常规电机的1/2～1/3，大大节约空间和体积，且电流密度较低，发热很小，有很高的功率重量比，其所减少的成本包括支撑桅杆结构、地基、浮动系统和机组安装等[6,7].

5 无刷双馈风力发电机

无刷双馈风力发电机兼备直驱永磁和双馈风力发电机二者的优点(无电刷和滑环，无需全功率整流逆变器，无永磁体失磁的危险)，同时还避免了两种发电机的缺点，易实现有功及无功功率的灵活控制，是一种较理想的风力发电机，具有很好的应用前景.

无刷双馈电机（Brushless Doubly-Fed Machines，简称BDFM）是在自级联异步电机基础上发展来的异同步通用的新型交流调速电机，无电刷和滑环，使用小容量变频器可实现电机的交流调速，可分为特殊笼型、磁阻型和绕线型三大类.其中绕线型的转子接线较灵活，可通过合理设计提高两种基波极对数的绕组系数，同时削弱甚至消除其他谐波，克服特殊笼型转子的固有缺点，可望获得更好的性能.

BDFM定子上有两套不同极对数的绕组：功率绕组和控制绕组（见图4）.功率绕组接工频电源，控制绕组接变频电源.两套绕组产生的磁场在定子中不直接耦合，而是通过转子间接耦合，转子起着极数转换器的作用.且根据其理论得到其转速表达式如下所示[8∼10]：

图4 无刷双馈风力发电机原理框图

上式中，nr为转子转速，fp和fc分别为功率绕组和控制绕组的频率，Pp和Pc分别为功率和控制绕组的极对数，控制频率前面的符号与控制绕组的通电顺序有关.当两绕组的极对数和功率绕组的频率确定后，其转速就只与控制绕组的频率有关，只要改变控制绕组的频率就可实现BDFM的转速调节；由于控制绕组的功率为功率绕组功率的Pc/(Pp+Pc)，流过定子控制绕组的功率仅为无刷双馈发电机总功率的一小部分，因此双向变频器的容量也仅为发电机容量的一小部分，可大大降低成本[11,12].

以上采用无刷双馈风力发电机的控制方案可实现变速恒频控制，降低变频器的容量，还可在矢量控制策略下实现有功、无功功率的灵活控制，对电网进行无功功率补偿，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了发电机成本，又提高了系统运行可靠性.

以前对无刷双馈电机的研究多是作为电动机状态，发电运行状态的研究还不多，控制较为复杂，很有必要进一步深入研究.

6 结语

高压、超导风力发电机，简化了电机自身结构及并网方式，提高了电压，降低了铜耗，大大增加了功率密度，缩小了发电机的体积，降低了重量和造价；液压发电机，取消了齿轮箱，控制策略上更加趋近于传统的电励磁发电机；海上发电机突出考虑海上环境的特殊性；无刷双馈发电机综合了直驱永磁和双馈发电机的特点，结构简便.在实际应用中，可根据实际的环境特点，把以上几种发电机的优点加以充分综合利用.总之，发电机绕组高电压（低电流），整体结构简单，节约材料，便于维护，运行可靠，控制方便，是未来大型风力发电机的发展趋势，以上的几种新型发电机引领着未来风力发电机的总体发展方向.