現代風力發電機技術面臨的挑戰主要在于如何進一步提高效率、增加強度、降低成本這三方面。隨著風力機的單機容量的不斷增大,變槳距(blade/autocoarse pitch,variable pitch blades)調速方式和變速恒頻(VSCF,variable speed constant frequency)技術,因其在額定風速下能提高捕獲風能效率,獲得最佳能量輸出,因而變速恒頻變槳矩型風力機逐漸占據了風力發電機的主導地位。
變槳距風力機的葉片沿其縱向軸轉動來調節功率,因此與定槳距風力發電機組相比,具有在額定功率點以上輸出功率平穩,在額定點具有較高的風能利用系數,確保高風速段的額定功率,具有更強的的轉輪制動性能等特點[1]。經使用,市場中較為成熟的有丹麥的VESTAS的V39/V42/V44-600kW機組和美國Zand的Z-40-600kW機組[2]。
為了達到變速控制的要求,變速風力發電機組通常包含變速發電機、整流器、逆變器和變槳距機構。變速發電機目前主要采用雙饋異步發電機。在低于額定風速時,通過整流器及逆變器來控制雙饋異步發電機的電磁轉矩,實現對風力機的轉速控制;在高于額定風速時,考慮傳動系統對變化負荷的承受能力,一般采用節距調節的方法將多余的能量除去。
美國GE的兆瓦級風力機基本都采用變速變槳距調速控制來確??諝鈩恿π?,減小驅動負載,降低成本,延長壽命。目前的兆瓦級電機都采用了GE特有的核心技術:WindVAR電子控制系統,將風力機的變速運行轉換至所需要的恒頻動力,可以實時調整電壓的波動,控制網內電力輸送的質量,提高傳動效率[3]。并以無刷式雙饋電機替代籠型異步電機,應用于調速驅動,可降低30%的成本[4]。
德國的VENSYS62/1200型1.2MW變速恒頻直接驅動型風力發電機組應用于農村電氣化領域風力發電及農村新能源開發技術,主要性能指標為——
功率
|
1200KW
|
葉片數
|
3葉片
|
類型
|
葉輪
|
直徑
|
62m
|
掃風面積
|
3018m2
|
輪轂高度
|
69m
|
葉輪轉速
|
11-20rpm
|
額定風速
|
12m/s
|
切入風速
|
3m/s
|
切出風速
|
25m/s
|
最高安全風速
|
59.7m/s
|
風力機概念
|
無齒輪箱
|
變速變槳發電機
|
1200KW同步永磁電機
|
|
|
(資料來源:中國水利科技網)
國內金風科技股份有限公司和德國企業合作開發的金風62/1200風力發電機組采用水平軸、三葉片、上風向、變漿距調節、變速恒頻、直接驅動、永磁同步發電機并網的設計方案,其中省去的齒輪箱使傳動系統部件減少,降低機械損失,提高機組的可靠性和生產、運行效率[7,8]。下表為部分風力機制造商所申請的變槳距、變速恒頻風力機的相關專利: