鹅锅:微风发电技术

【《国际电力工程杂志》2006年第5期】

挪威刚刚推出3兆瓦无齿轮永磁铁风力涡轮发电机系统，北极风能协会总裁就道出了最近高技术的实践内幕，高技术的实践将会引起涡轮机产业内部的一场大范围风暴。

北极风能协会——芬兰

即使提升大部分涡轮发电机的性能，探索大量的能量来源于风力并不是一件容易的工作，而仍然是一项很具有挑战性的任务。2004年，芬兰北极风能协会与挪威的风力涡轮发电机生产商及系统集成商ScanWind公司签署合同为九台3兆瓦的涡轮机提供无齿轮永磁体发电机。2005年4月15日，应用该发电机系统的第一台3兆瓦风力涡轮机已从芬兰的南部港市土尔库（Turku）运出，并于2005十月中旬在挪威北特隆德勒格能源公司（Nord-Trondelag Energi）开发的一个风力发电场（位于挪威北部，距离特隆赫姆（Trondheim）港市北部200公里）里安装使用。

无齿轮永磁铁发电机被选作为超越传统的技术，是因为公司认为在较高的兆瓦级水平中该替代性方案要比齿轮发电机系统能够提供更好的可靠性和性能。为寻求对这场无齿轮革命的领导，来自芬兰渃泰克公司（Rotatek Finland Oy）, 沃特克公司（Verteco Oy）和维阿萨工程公司（Vaasa Engineering Oy）的专家们在北极风能协会的组织下探寻着一个最佳的解决方案。

北极风能协会总裁兼芬兰渃泰克公司（Rotatek Finland Oy）的执行总裁——雅尔默·萨尔渃尼奥（Jarmo Saaranen）指出，我们应为我们的许多天才和专家所做出的努力和成就而感到深深的自豪。通常来讲，需要两到三年的时间才能使这个项目达到我们目前的水平，然而我们的专家却在短短的一年时间里就向顾客交付了无齿轮发电机系统。在2006年期间，我们将总共为ScanWind公司提供了九台3.5兆瓦的此类风力涡轮机系统。

没有齿轮就没有忧虑

在几个能量应用领域里，这种直驱式永磁铁风力发电机快速地普及开来。这种基于钕铁硼（NdFeB-based）的永磁铁的发展，使生产高效率，高功率的同步交流发电机变为可能。这种基于钕铁硼的永磁铁有着高辐射流密度、高抗磁力和高性价比，从而是一种高能量转换器。

齿轮通常是很容易被损坏的机械设备，所以，它需要花费相当的维护费用。然而，根据萨尔渃尼奥所说，无齿轮技术解决了这个特殊的问题，它的一个好处是扩大了偏远地区风力发电设备的安装。他说：“我们的技术可以带来显著的效益，尤其是在那些难于接近的地方安装风力发电涡轮机。众所周知，大型风力发电设备的安装总要经历从人口密集区到偏远地区的运输迁徙，此类问题在近海岸风电设备的安装中更加明显。”

图1 北极风能协会和Vacon公司技术支持的3兆瓦ScanWind风力发电涡轮机

风力发电涡轮机的生产商像所有其它电力工业部门一样，在寻找方法去提高他们产品的效率。与许多其它发电系统相对比，风力发电涡轮机主要不同在于风力系统是一个供给“燃料”波动的系统。现代电力电子学通过准确的控制算法给出了不同速度下整个风力范围内的运行方式。由于这个系统从一开始设计就要求有冗余性，所以平均故障时间（MTBF）和平均修理时间（MTTR）有了彻底的改善。 在传统系统当中，所有动力传动的主要部件，例如发电机，齿轮箱和逆变器，根据可靠的规定被一系列的连接。因而，其中一个部件出现了故障，会导致整个发电机停止运转。出于对这种情况的考虑，新系统采用了并行模块化设计。

电力变频

沃特克公司的营销部兼销售部主任马尔科·克瑞斯特腊（Marko Kristola）解释道，上百千瓦的电能是在转速16r/min的状况下所产生的。我们的技术为顾客带来了许多先前从未获得过的重要好处，首先最重要的是，我们的系统有非常好的冗余性，或者说是强的容错能力，这就意味着它一旦建造安装，即使系统的一个或几个部件被损坏了，也将不停的运转，例如由于被闪电击中。

一台发电机包括12个三相线性发生器片。其中四个线性片对称地结合成一个单一的1.2兆瓦的逆变器组件。因此一台3兆瓦的涡轮发电机系统是由三个1.2兆瓦的组件组成。因此，如果其中一个逆变组件有故障, 或两个组件在不太可能的情况被损坏, 系统有可能仍然继续运行。此时，电能向电网输出将必然有所减少，但电压却保持不变。自然地，维修作业可以在对其它正在运行的系统没有任何干涉的情况下执行。变频器也可以在只具有四分之一驱动配置的情况下运转，这也给安装和维修操作过程带了引人注意的特点。

图2 电力变频器包括发电机逆变器和滤波器（右），冷却和智能控制单元（中）及电网逆变器和滤波器（左）

例如，一台300千瓦的风力发电涡轮机可以由三个以上的1.2兆瓦的电力变频器模块组建。这样的设计可以使变频器相互平行的工作，以便使每个电力变频器模块独立作用于整个负载中。这样的一种设计可以使风力发电涡轮机与三个变频器模块中的任何一个相结合而工作成为可能，所以电能的输出范围能从33％经由67％，达到100％。

在低风速情况下的模块化设计通过降低电能损耗增加了系统的工作效率，同时，只有在所必须数量的变频器模块允许下外界的风才可以对其起到作用。当其它变频器模块提供电能给电网的时候，该变频器模块也可能处在日常保养或维修中。

液体冷却

电力变频器系统由两个逆变器连接到一个公共的直流母线上。发生器边上的逆变器制动发生器从而使其具有最佳的转矩，并且使产生的制动电能增加了直流母线的电压。从这一点可以看出，线路端的逆变器在必要的电压和频率下把电能传输到了电网上。

一个发电机逆变器能被一个或四个发生器片连接。如果一个线圈绕组出现故障，有误的发生器片可能会被系统隔离并且被吊舱中备用的另一个发生器片所取代。在这个设计中，每个发生器片产生的电能占总电能的1/12，并且当一些发生器片被隔离或卸走时，系统仍将继续发电。这意味着冗余由1：3提升到了1：12乃至更好，从而增强了系统的可靠性和维持了更好的工作效率。

变频器模块可以单个独立工作，也可以在运行中，依据电能需求和技术设备要求，与一个，两个，或三个变频器相结合。例如，在低风力时，它也许有必要单个或两个相连接而工作。这种模块方法提高了效率，因为一个变频器运转损耗的电能比三个联合运转损耗的低。

如果低风力的情况持续让一个或两个变频器模块长期工作，那么发热的模块会被转动以便用来延长其工作时间和提高安全性。如果其中的一个模块出现了故障，该故障模块会被断开而原来工作的模块会依然与电网连接，并且涡轮机在部分能量的供应下会继续发电。尽管电量的输出减少了，但可靠性和总效率却被提高了。

目前，无齿轮风力发电涡轮机以运用全尺寸逆变器技术为基础，取代了双反馈发电机，不过后者目前仍然是广泛运用在控制风力发电涡轮机的技术。新的逆变器技术使得原来传统的解决方案显得过时，因为不管是非常弱的风，还是非常强的风，新的逆变器都可以利用所有可以利用的风速。Vacon CH64 NXP液冷式逆变器与永磁铁发电机相匹配，对系统施加较小的机械应力，就会提供690V的高质量电流，再经由一个变压器输向20KV的电网。

图3 直驱式永磁铁发电机(包括12个三相线形发生器)

风力发电涡轮机运用这些模块化的液冷逆变器胜过那些标准的双反馈发电机，据Vacon公司的贾里·派科玛克（Jari Perkiomaki）称：“用传统的解决方法，一台3兆瓦，额定转速为16r/min的涡轮机，速度变化范围为额定转速的±15%。然而，在我们的解决方案中，风速范围能从2r/min变化到22r/min。这意味着我们能在非常弱的风力条件下照常发电。

停运嵌齿

北极风能协会设计的改进方案给工作人员带来了极大的灵活性，可以使维护很容易的确定合适的时间表。永磁铁的激励充分利用了12个发生器片设计的效率。作为一个附加优势，12个发生器片设计减少了嵌齿现象，提高了运行性能。

当一块永磁铁围绕对应的定子运转，定子持久的变动就会引起脉冲尖峰和凹陷产生。这种情况正常出现在所有永磁铁发电机或发动机中，这时嵌齿可能会发生。然而，嵌齿效应对风力发电涡轮机的应用有很大的损害，因为步进发电机就安装在塔的顶部吊舱里。嵌齿将完全可以使风力发电涡轮机产生振动，并增加机械应力在轴承和其他机械器件上。

在涡轮机里形成的振动可能会被放大，在例外的情况下，特定运转速度，塔和叶片就存在发生共振的极大可能性。共振在风力发电涡轮机里应该不惜一切代价的去避免，特别是如果它们发生在正常运转的速度范围内。如果不能避免，风力发电涡轮机的效率，特别是可靠性将显著的下降。渃泰克公司的核心技术之一就是电磁设计，并且由于其设计的高质量扭矩使发电机能够平稳地运转。这就要求全面模拟的电磁电路需要有准确的磁铁尺寸、磁铁形状以及磁铁模块的合理排列。

虽然对风力发电涡轮机的需求很高，国际制造业也在不断努力跟上，但是应该多重视大规模风机的发展。估计风电在世界各地的生产将在2020年增长十倍达到50,000万千瓦。北极风能协会对无齿轮技术未来市场很有信心。