摘要：新时期，随着我国人民生活品质的进一步有效提升，人们对于生活环境的绿色和环保等功能的重视程度日益加深。而风力发电机具有将风能合理地转化为电能的关键性作用，因而其重要性以及在近些年的受关注程度都在持续上升。基于此，笔者在本文中主要围绕着风力发电机发展现状及研究情况，并针对活力发电技术的发展现状、发展趋势、我国风力发电中出现的主要问题、风力发电机的类型情况等问题展开了合理的分析与阐述，具有极为重要的现实性研究价值。
关键词：风力发电机；现状；研究进展
风力发电在我国呈现出不断发展的良好态势，早在１９９５年就颁布了枟中华人民共和国电力法枠，到２００５年又颁布实施枟可再生能源法枠。其中均明确指出了“国家鼓励和支持利用可再生能源发电”，法律层面的鼓励和支持为风力发电的发展提供了良好的法律环境。加上我国各级政府对风力发电项目给予政策层面的支持，我国的风力发电产业得到了不断发展。２０１２年，我国已取代美国成为世界上的第一风电大国。目前，我国正推进实施绿色ＧＤＰ，大力推行节能减排的战略、积极转变经济发展的方式和对传统能源的依赖，这些政策的实施对于风力发电产业来说是利好的，在未来风力发电的市场份额将不断增大。在一个完整的风力发电系统中，主要的部件包括：齿轮箱、风轮、变压器、发电机以及功率变换器。其中最为重要的组成部件是风力发电机，因此要深入了解风力发电产业和技术的发展，无可避免地要对风力发电机的发展现状与进展进行深入分析。
1风力发电机发展现状
风力发电机根据其输出容量分为不同的级别，包括小型风力发电机、中型发电机、大型发电机和兆瓦级风力发电机。国际上通用的分类标准，根据风力发电机组的容量把风力发电机划分为：小型（１００ｋＷ以下）、中型（１００～１０００ｋＷ）和大型（１０００ｋＷ以上）三个类型。我国的分类标准与国际标准有所区别，我国把风力发电机按输出容量分为四个类别，分别是：微型风力发电机（１ｋＷ以下）、小型风力发电机（１～１０ｋＷ）、中型风力发电机（１０～１００ｋＷ）和大型风力发电机（１００ｋＷ以上）。随着风力发电技术的不断更新发展，风力发电机也更新换代，其发展经历了多个阶段。第一阶段是小容量直流发电机时期，后来风力发电机组转向大型机的发展方向；第二阶段是笼型异步发电机，交流发电机技术水平不断提高逐渐取代直流发电机，成为风力发电机的主要形式；第三阶段的风力发电机主要为双馈异步发电机和低速直驱永磁同步发电机发展阶段。当前的发展阶段，发电机技术的不断进步，材料革命也影响着风力发电机的革新，技术人员也逐渐研制成各种新型风力发电机，高压风力发电机、大容量超导风力发电机、液压型风力发电机和无刷双馈风力发电机等新型的风力发电机是其中的突出代表。在未来，随着技术难题的突破，这些风力发电机会在风力发电产业中有着越来越重要的地位。
2风力发电机研究方向及进展
目前，各国风力发电机技术研究人员把其研究重点放在如何增大风力发电机单机容量、如何降低单位容量自重、如何实现风力发电机高效率转换以及改善大型风力发电机生产条件实现量产等研究方向上。虽然现时风力发电机的技术水平已经处于较高水平，但不可否认的是，目前的风力发电机技术还存在一定缺陷。这些缺陷制约着风力发电系统以及风力发电产业的发展，还有较大的研究空间。异步发电机是目前主要的发电机，其不足之处主要是运行范围较窄以及功率因素较低等。为改进现有风力发电机的缺陷，研究人员为此提出了永磁异步风力发电机的概念。永磁异步风力发电机所采用的直驱型变速恒频风力发电系统具有诸多优点。例如这一系统因为减少了增速齿轮箱这一部件，而使整个风力发电机系统性能得到了一定的提高。能够有效提高功率因数以及发电的效率，实现降低了制造和维护的成本的效果。另一方面，近年提出了无刷双馈电机的新型风力发电机，其优点更为明显，集合了直驱式永磁同步发电机以及双馈异步风力发电机之长，能有效提高风力发电系统的安全性和可靠性，其应用前景广阔，越来越受到了关注。此外，永磁同步发电机也是常用的风力发电机类型，其结构主要为变速恒频直驱风力发电系统结构，电力使用了永磁发电机，不需要增加励磁装置，有效降低了励磁损耗，也不需要设置滑环与电刷，有着寿命长、效率高的优势，也不需要进行维护。系统省去了齿轮箱，这样可大大减小系统运行噪声，提高效率和可靠性，降低维护成本。所以，尽管直接驱动会使永磁发电机的转速很低，导致发电机体积很大，成本较高，但其运行维护成本却得到了降低。采用直接驱动永磁发电机具有传动系统简单、效率高以及控制鲁棒性好等优点，因此具有越来越大的吸引力。与此同时，我国海上风力发电也得到了迅速的发展，其中主要的技术趋势就是离岸安装技术。我国海岸线丰富，有着大量的风能资源，在海水较浅的区域设置风力发电机可以解决多个地区的发电问题。在此类风机中，将高压直流输电接入电网技术接入到系统之后，还可以将电能运输到负载中心之中，此类设置方式的电缆功率损耗非常小，发送端与接收端的频率相对独立，有着理想的经济效益和社会效益。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
3风力发电机主要类型
3．1恒速风力发电机
恒速风力发电机系统，采用了笼型异步发电机，发电机通过变压器直接接入电网．因为笼型异步发电机只能工作在额定转速之上很窄的范围内，所以通常称之为恒速风力发电机．并网运行时，异步发电机需要从电网吸收滞后的无功功率以产生旋转磁场，这恶化了电网的功率因数，易使电网无功容量不足，影响电压的稳定性．为此，一般在发电机组和电网之间配备适当容量的并联补偿电容器组以补偿无功．由于笼型异步发电机系统结构简单、成本低且可靠性高，比较适合风力发电这种特殊场合，在风力发电发展的初期，笼型异步发电机得到了广泛的应用，有效地促进了风电产业的兴起．
随着风力发电应用的深入，恒速笼型异步发电机具有的一些固有缺点逐步显现出来，主要是笼型异步发电机转速只能在额定转速之上l％一5％内运行，输人的风功率不能过大或过小，若发电机超过转速上限，将进入不稳定运行区．因此，在多数场合需将2台分别为高速和低速的笼型异步发电机组合用，以充分利用中低风速的风能资源．另外，风速的波动使风力机的气动转矩随之波动，因为发电机转速不变，风力机和发电机之间的轴承、齿轮箱将会承受巨大的机械摩擦和疲劳应力．而且，由于风力机的速度不能调节，不能从空气中捕获最大风能，效率较低．齿轮箱的存在增加了风力机的重量和系统的维护性，影响了系统效率，增加了噪声．
3．2有限变速风力发电机
有限变速风力发电机系统采用绕线式异步发电机．绕线式异步发电机转子外接可变电阻，其工作原理是通过电力电子装置调整转子回路的电阻，从而调节发电机的转差率，使发电机的转差率可增大至10％，实现有限变速运行，提高输出功率．同时，采用变桨距调节及转子电流控制，以提高动态性能，维持输出功率稳定，减小阵风对电网的扰动．然而，由于外接电阻消耗了大量能量，电机效率降低了．有些文献也把这种发电系统称为高转差率异步发电机系统．
3．3变速风力发电机
1)有刷双馈异步发电机．
由双馈异步发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子回路的功率是双馈发电机的转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分．一般来说，转差率为同步速附近30％左右，因此，与转子绕组相连的励磁变换器的容量也仅为发电机容量的30％左右，这大大降低了变换器的体积和重量．采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之问的刚性连接为柔性连接．
2)电励磁同步发电机．
电励磁同步发电机变速恒频直驱风力发电系统，电压源型逆变器的直流侧提供电机转子绕组的励磁电流，发电机发出的是电压和频率都在变化的交流电，经整流逆变后变成恒压恒频的电能输入电网．通过调节逆变装置的控制信号可以改变系统输出的有功功率和无功功率，实时满足电网的功率需要．在变速恒频直驱风力发电机组中，整流逆变装置的容量需要与发电机容量相等．
3)永磁同步发电机．
永磁同步发电机变速恒频直驱风力发电系统结构，它采用的电机是永磁发电机，无需外加励磁装置，减少了励磁损耗；同时它无需电刷与滑环，因此具有效率高、寿命长、免维护等优点．在定子侧采用全功率变换器，实现变速恒频控制．系统省去了齿轮箱，这样可大大减小系统运行噪声，提高效率和可靠性，降低维护成本．所以，尽管直接驱动会使永磁发电机的转速很低，导致发电机体积很大，成本较高，但其运行维护成本却得到了降低．采用直接驱动永磁发电机具有传动系统简单、效率高以及控制鲁棒性好等优点，因此具有越来越大的吸引力．目前已有多家公司可以提供商业化的多极永磁风力发电机系统，如Enercon，WinWind等公司．该系统的主要缺点是永磁材料价格较高，且在高温下易被去磁，功率变换器容量与发电机容量相同，变换器成本较高
随着风机单机容量的增大，齿轮箱的高速传动部件故障问题日益突出，于是没有齿轮箱而将主轴与低速多极同步发电机直接相接的直驱式布局应运而生．但是，低速多极发电机重量和体积均大幅增加．为此，采用折中理念的半直驱布局在大型风力发电系统中得到了应用，与直驱永磁同步发电系统不同是，半直驱永磁同步风力发电系统在风力机和PMSG之间增加了单级齿轮箱，综合了DFIG和直驱PMSG系统的优点．与DGIG系统相比，减小了机械损耗；与直驱PMSG系统相比，提高了发电机转速，减小了电机体积．采用全功率变换器，平滑了并网电流，电网故障穿越能力得到提高．
结束语
综上所述，笔者在本文中着重围绕着风力发电机的现状与研究进展情况及其相关的几个问题进行了分析与思考，进一步体现了风力发电机对于环保和节能事业所具有的突出贡献和重要作用。因此，相关单位及其负责人必须针对风力发电机目前仍然存在的问题及时进行分析，进而得出科学的应对策略。
参考文献：
[1]张建忠，程明．新型直接驱动外转子双凸极永磁风力发电机［Ｊ］．电工技术学报，２００７（１２）．
[2]曾勇，吴仕军，刘波，吴安坤，张淑霞，刘芸．贵州山地风力发电机防雷接地技术研究［Ｊ］．可再生能源，２０１６（０６）．
[3]钟婷婷，郭永，韩巧丽，王婷，韩宝生．基于电压反馈式小型风力发电机限速发电控制系统研究［Ｊ］．中国农机化学报，２０１
论文作者:刘勇
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/12
标签：发电机论文; 风力发电机论文; 永磁论文; 齿轮箱论文; 系统论文; 风力发电论文; 变换器论文; 《电力设备》2018年第27期论文;