國(guó)外直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)應(yīng)用

　　風(fēng)能作為一種潔凈的可再生能源，隨著技術(shù)逐步成熟，今后的運(yùn)行成本會(huì)低于水電和火電，發(fā)展前景非常廣闊。目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增大， 變速恒頻、變槳矩型風(fēng)力機(jī)逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位。齒輪箱是在目前MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中過載和過早損壞率較高的部件，國(guó)外開始研制一種直接驅(qū)動(dòng)型的風(fēng)力發(fā)電機(jī) 組（亦稱無(wú)齒輪風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)），這種機(jī)組采用多級(jí)異步電機(jī)與葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的方式，免去齒輪箱這一傳統(tǒng)部件（結(jié)構(gòu)特征見下圖），具備低噪聲、提高機(jī) 組壽命、減小機(jī)組體積、降低運(yùn)行維護(hù)成本、較低的噪音、低風(fēng)速時(shí)高效率等多種優(yōu)點(diǎn)，在今后風(fēng)力機(jī)發(fā)展中有很大的發(fā)展空間［1～4］。

　　1995年美國(guó)紐約州的一家研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出一種新型可變磁阻發(fā)電機(jī)，即使風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)中的磁性裝置取代了機(jī)械的齒輪箱。該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于大量的極有一個(gè)比6個(gè)極造價(jià)還便宜的卷繞結(jié)構(gòu)，可變磁阻電機(jī)的極結(jié)構(gòu)能夠承受萬(wàn)向操作而不需要提高造價(jià)［1］。

　　2000年，加拿大M.eng. M. Dubois博士提出風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的齒輪箱置于電機(jī)和轉(zhuǎn)子之間對(duì)部分工作負(fù)載的效率提高不利，而且較易受損耗，若使用一個(gè)和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速相同的電機(jī)就可以免 去齒輪箱。事實(shí)上在水力電站應(yīng)用直驅(qū)式低速旋轉(zhuǎn)電機(jī)并不新鮮，然而應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)則仍有一些問題需要研究，如University of Durham， Chalmers University of technology in Goteborg and Darmstadt University of Technology等高校研究了風(fēng)力機(jī)中電機(jī)的合適重量；最適合的機(jī)型（同步、永磁、可變磁阻等型式）選擇；電流和壓力的波動(dòng)所導(dǎo)致的最高扭矩密度；聯(lián) 網(wǎng)用的變流器的選擇；采取何種措施達(dá)到應(yīng)有的噪音水平；在目前推薦使用由多個(gè)模塊組成，方便運(yùn)輸，且某部件失效時(shí)仍可正常運(yùn)行的電機(jī)的情況下，是否能設(shè)計(jì) 不含額外損耗的電機(jī)；永磁電機(jī)由于高效高扭矩密度而越來(lái)越多地被采用，這是否會(huì)導(dǎo)致過量的鐵損耗，磁性材料的選擇，如何磁化這些材料，在運(yùn)行或失效的情況 下如何防止消磁狀況［4］。

　　1997年的風(fēng)機(jī)力市場(chǎng)上出現(xiàn)了兼具無(wú)齒輪、變速變漿距等特征的風(fēng)力機(jī)， 這些高產(chǎn)能、運(yùn)行維護(hù)成本低的先進(jìn)機(jī)型有E-33、E-48、E-70等型號(hào)，容量從330kW至2MW，由德國(guó) ENERCON GmbH公司制造，它們的制造始于1992年［4］。2000年瑞典ABB公司研制成功了3MW的巨型可變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其中包括永磁式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的高壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)Windformer，容量3MW、高約70m、風(fēng)扇直徑約90m［5，6］。2003年在Okinawa電力公司開始運(yùn)行的MWT-S2000型風(fēng)力機(jī)是日本三菱重工首度完全自行制造的2MW級(jí)風(fēng)機(jī)，采用小尺寸的變速無(wú)齒輪永磁同步電機(jī)，新型輕質(zhì)葉片［12］。下表為部分風(fēng)力機(jī)制造商所申請(qǐng)的直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)的相關(guān)專利

　　可以發(fā)現(xiàn)，（直驅(qū)式）無(wú)齒輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)始于20多年前，卻在近幾年又重新引起研究人員的極大興趣，積極將該技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品推向風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)，德 國(guó)、美國(guó)、丹麥都是在該技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展較為領(lǐng)先的國(guó)家。其中德國(guó)西門子公司開發(fā)的（直驅(qū)式）無(wú)齒輪同步發(fā)電機(jī)被安裝在世界最大的挪威風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，據(jù)稱效率達(dá) 98%［15］。