风力发电机的技术现状和发展前景

黄勇++熊跃

摘 要：伴随经济的发展和人口的膨胀，能源的需求量变得越来越大，因此而带来的能源缺口以及环境污染问题日渐急迫。现在世界各国都在大力发展清洁能源，而风力发电是新能源发电技术中最成熟、最具大规模开发和最有发展前景的发电方式，以其安全性和清洁性近年来在国内外得以迅速发展，我国也进入了风电产业的跨越式发展的阶段。风力发电涉及诸多技术分支，该文将着重探讨风力发电中关键部件-风力发电机的技术现状及展望其技术发展前景。

关键词：风力发电机 技术 现状 前景

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（c）-0077-01

我国在1995年颁布的《中华人民共和国电力法》和2006年颁布的《可再生能源法》中均明确提出国家鼓励和支持利用可再生能源发电，这为风力发电的发展构建了一个比较完备的法律系统框架。尤其是自2006年以来，我国并接入网的风电量以85%的年均增长率逐步攀升，2012年6月我国一举取代美国成为世界第一的风电大国，国家电网已成为全球风电接入规模最大的电网。随后，国家能源局于2012年7月又发布了《风电发展“十二五”规划》，提出我国到2015年风电并网装机要达到1亿 KW、2020年风电并网装机要达到2亿 KW的目标。可预见的是，在常规能源越来越紧缺，污染越来越严重，而能源需求却越来越大的严峻背景下，如何加快实现节能减排目标、转变经济发展方式以及转变对传统能源的依赖，已经成为我国未来能源发展的主要基调。现有的可再生能源技术中，风力发电技术又最为成熟，我国幅员辽阔，风电产业的发展具备得天独厚的条件，因此对风力发电中的关键技术-风力发电机技术的现状及展望的研究就变得尤为重要。

1 技术现状

风力发电机是风电系统中实现风能转换为电能的核心部件，风力发电系统主要由风轮、齿轮箱、发电机、功率变换器、变压器等部分构成。风力发电机在发展初期均采用小容量直流发电机，随着风电机组向大型化方向发展，交流发电机已成为当今风力发电机的主要形式，如表1所示。

随着风力发电技术的发展，风力发电机由早期的直流发电机、笼型异步发电机等演变为当前的双馈异步发电机和低速直驱永磁同步发电机等。同时，风力发电机自身技术水平的提高，又有力地促进了风力发电整体技术的进步。例如，双馈异步发电机及其控制技术的成熟，使变速恒频风力发电得以实现，成为当前风力发电系统的主流。

若根据风力发电机的运行特征为标准，风力发电机又可分为恒速风力发电机（Fixed speed generator）、有限变速风力发电机（Limited variable speed generator）和变速风力发电机（Variable speed generator）。

2 技术发展前景

目前，国际上大型风力发电机组正朝着增大单机容量、减轻每单位容量的自重、提高转换效率的方向发展。除了前述的各种发电机，各国研究人员从提高风力发电机组的效率和可靠性、降低大型发电机的制造难度等角度出发，还提出了其他一些具有商业化潜力的风力发电机。

以异步发电机为主流的发电机因其结构简单、坚固耐用、价格便宜等优点，被作为电动机广泛使用，但其由于自身运行范围窄、功率因数较低等缺点，发展空间有限；变速恒频风力发电系统中的核心器件为双馈异步风力发电机，该系统采用齿轮箱和双馈异步风力发电机相结合的形式，但是齿轮箱的性能优劣制约着整个发电系统的效率和安全，双馈异步发电机需要使用电刷和滑环，这降低了系统的可靠性，也增加了制造和维护成本。

针对上述缺点，国外学者提出了永磁异步电机的概念，采用多极永磁同步发电机的直驱型变速恒频风力发电系统省去了增速齿轮箱，避免了齿轮箱性能优劣对整个系统的制约，在实际运行中提高了功率因数和发电效率，降低了维护成本，永磁异步电机具备广阔的发展前景；另外，近年提出的无刷双馈电机由于兼具了直驱式永磁同步发电机和双馈异步风力发电机二者的优点，在实际应用中越来越受到关注，顾名思义，无刷双馈电机由于没有电刷和滑环，使得其可特别有利地用作为风力涡轮发电机，这可以极大地避免在广泛使用的双馈感应发电机中由于电刷与滑环的问题所带来的主要故障模式，提高了系统的安全性和可靠性，研究表明无刷双馈电机和双阶齿轮箱的组合具有优异的可靠性且保持较低成本；例如双凸极永磁电机（DSPM电机）、磁通切换永磁电机（FSPM电机）、定子内永磁电机（SIPM电机）等，其均保留了开关磁阻电机定转子均为凸极、转子既无绕组也无永磁体等结构简单、坚固、可靠性高的优点，又同时具备效率高、功率密度高、功率因数高等优点，在变速恒频风力发电系统中应用前景广阔。

风能是一种清洁的可再生能源，风力发电已经成为世界各国重点发展的能源之一，随此而来的是风力发电机的制造业也成为新兴的制造产业，势必促进风力风电上下游产业的发展，也势必促进风力发电机控制技术的更快发展。风力发电机与风力发电系统互为因果，共同发展，相互促进。近年来风力发电系统的容量不断增大，风能领域新技术的快速发展，有力地促进了风力发电机的设计、制造、控制以及运行维护水平的提高，各种新型化的风力发电机及其控制系统不断涌现，为实际应用提供了多种选择。

3 结语

风力发电机的设计制造与诸多行业密切相关，风力发电机作为风力发电领域的关键技术点，进行探索非常必要。本文综述了国内外风力发电机的发展概况，简要介绍了风力发电机最新研究进展，但是风电技术的发展还存在着一定的问题，希望我们早日能够攻克难关，为新能源的开发利用奠定重要的基础。

（注：第二作者熊跃所做的贡献与第一作者相同，但限于版面设计，被列为第二作者）

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