双馈风力发电机

双馈风力发电技术

基本概念

双馈异步风力发电机是一种绕线式感应发电机，是变速恒频风力发电机组的核心部件，也是风力发电机组国产化的关键部件之一。该发电机主要由电机本体和冷却系统两大部分组成。电机本体由定子、转子和轴承系统组成，冷却系统分为水冷、空空冷和空水冷三种结构。

双馈异步发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变频器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了"柔性连接"，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使其能满足要求。

双馈式风力发电机组具有以下特点：

1.技术成熟、质量可靠。自工业化革命以来，齿轮传动已经成为技术最成熟、最主流的传动方式，广泛应用于航空、航天、船舶、汽车、钟表等工业和生活领域。风力发电机组工作环境恶劣，对机组可靠性要求很高。双馈机组采用的大功率大速比齿轮箱技术从20世纪90年代起已经开始应用，其在风电中的故障率已低于电气系统和发电机系统。叶轮+齿轮箱+发电机的传动链结构简单，各类载荷分配合理，整体质量可靠性高。

2.效率高、性价比优。该技术有效分配了机械传动系统和发电系统的参数配置，通过高速比齿轮箱提高电机转速，大幅提高发电机效率。同时该机型仅有占额定功率1/5～1/3的转差功率通过变流器，变流器的能量损失小。整机效率高、性价比优。

3.可维护性好。双馈式风力发电机组一般采用叶片+轮毂+齿轮箱+联轴器+发电机的传动结构，这种结构各主要部件相对独立，可以分别进行维护和维修。现场维修容易，时间响应及时。

4.电能质量好，低电压穿越能力强。双馈式风力发电机组采用双馈式感应电机和部分功率变流技术，发出的70%以上的电能通过定子输送到电网，产生的谐波小、电能质量好。同时，该技术具有功率因数可调、有功功率和无功功率控制方便，低电压穿越性能好等特点，可实现电网友好型接入。

但在大型风力发电机组实际运行中，齿轮箱是故障率较高的部件。由于风力发电机组一般安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱安装在塔顶的狭小空间内，一旦出现故障，修复非常困难，故对其可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。例如对构件材料的要求，除了常规状态下机械性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性；应保证齿轮箱平稳工作，防止振动和冲击；保证充分的润滑条件等。对冬夏温差巨大的地区，要配置合适的加热和冷却装置。还要设置监控点，对运转和润滑状态进行遥控。

与直驱式发电机对比

直驱：多极永磁同步电机无齿轮箱，润滑油泄漏、噪音、齿轮箱过载和损坏的问题因而消失了，同时也会降低用户的运行和维护成本。技术不成熟，主要问题集中在变桨和变流上，机械问题主要在发电机轴承。直驱坐的越大发电机也越大不方便运输和吊装。

双馈：技术相对成熟，异步发电机，发电机相对较小，有齿轮箱，漏油，随着时间的增加机械问题会越来越严重，更换齿轮箱加大了运行和维护的成本。

发展历程

古代风力机

风能，是人类最早使用的能源之一。最初的古代风机是一种简单的垂直轴风力机，公元644年波斯人制造了立轴式磨面用风力机，如图1.8——古代风力机。以后又发展了一种水平轴风力机，它的风轮具有十根梁，其间用张线固定，每根梁上有一块小帆布。至今在江苏一带还可见到竹木帆布结构的风力机。这种风力机在农田灌溉和盐池提水方面仍起重要作用。

中世纪风力机

到公元11世纪，在中东，古代风力机应用很广泛，到13世纪，这种风力机传到了欧洲。到14世纪，荷兰率先改进了古代风力机，并广泛利用这种改进后的风力机为莱茵河三角洲的沼泽地和湖泊抽水。在16世纪，荷兰先后建造了当时的第一个制油厂、第一个造纸厂以及锯木厂，

这些都是利用风力机作动力的。到19世纪中叶，在荷兰有9000台传统风力机在运行，如图1.9中世纪传统风力机。中国宋朝是风力机的全盛时期，当时流行着垂直轴天津风车。

在产业革命期间，由于蒸汽机的出现，荷兰的风力机利用开始走下坡路。到20世纪，荷兰只有2500台风力机在运行。到1960年，仍在运行的风力机不到1000台。美国中西部的多叶式风力提水机，在十八世纪末曾多达数百万台。

近现代风力机

在十九世纪末，丹麦拥有3千台工业用的风力机和3万台用于家庭和农场的风力机。从50年代到60年代，中国研制了十几种风力机，最大的已超过30千瓦。从60年代开始研制的小型风力提水机，有30种不同型号，对我国开发利用风能起了积极作用。国际上也开发研制了多种风力机。

1890年丹麦的P·拉库尔研制成功了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站。自二十世纪初至二十世纪六十年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的利用阶段。

随着大型水电、火电机组的采用和电力系统的发展，1970年以前研制的中、大型风力发电机组因造价高和可靠性差而逐渐被淘汰，到二十世纪六十年代末相继都停止了运转。这一阶段的试验研究表明，这些中、大型机组一般在技术上还是可行的，它为二十世纪七十年代后期的大发展奠定了基础。1973年，国际上出现了石油危机，不少国家面临能源短缺的困境，为此提出了能源多样化发展战略，因而风能的研究和开发工作又重新得到了重视。美国、荷兰、丹麦、英国、德国、日本、苏联、加拿大等国都对大力开发风能制定了规划，制定了采取扶持资助的鼓励性政策和法规。中国也开始重视风能的研究和开发。表1.3列举了国际上1970年至1980年初投入运行的100kW以上的风力发电机组。1980年以来，国际上风力发电机技术日益走向商业化。主要机组容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW。1991年丹麦在Vindeby建成了世界上第一个海上风电场，由11台丹麦Bonus 450kW单机组成，总装机4.95MW。随后荷兰、瑞典、英国相继建成了自己的海上风电场。

发展现状

2009年以来，亚洲风电迅速崛起.规模增长稳居世界首位，2014年新增装机容量24.16GW，占全球新增总量的50.7%。中国是亚洲风电市场的绝对主力，总占比超过80%，2014年中国风电新增装机容量达23.2GW。占全球新增装机量的45%。累计装机容量己超过114.6GW，占全球总装机量的31%。

以英国为代表的欧洲国家在海上风电开发方面引领世界潮流，在大型风机技术和海上施工能力方面不断取得突破，开发范目达到水深40米，离岸距离100公里。

彭博新闻报道截至201 5年6月30 日，欧共有3072座海上风机并网发电，总装机容量达10.4GW，占全球装机容量的91%。

目前我国海上风电处于起步发展阶段，还存在诸多技术难题海上风电产业体系有待进一步健全。2014年中国海上风机新增装机容量229.3MW，海上风机累计装机容量657.88MW，占全球总装机量的7.5% 。