一、大型風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)概述
風(fēng)能的特點是能源稀薄、隨機性大．風(fēng)向、風(fēng)力變化無常，而風(fēng)機又必須安裝在野外空曠多風(fēng)地帶，造成了風(fēng)力發(fā)電機不同于其它電網(wǎng)發(fā)電機的特殊性。風(fēng)力發(fā)電中的發(fā)電機，處于將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪茉崔D(zhuǎn)換樞紐環(huán)節(jié)，不同的發(fā)電機形成不同的發(fā)電模式，產(chǎn)生不同質(zhì)量的電能．對整個機組的能源效率、機電可靠性、電網(wǎng)容納度等指標有著相當大的影響，是風(fēng)力發(fā)電的核心技術(shù)之一。
發(fā)電機種類對整個機組的制造成本、系統(tǒng)性價比。更有著重大影響。首先，不同發(fā)電機本身的制造難度、成本差異明顯；其次，不同發(fā)電機對控制系統(tǒng)的配置不同、所配變頻器功率容量、技術(shù)要求不一樣，更使成本相差懸殊；另外，采用不同的發(fā)電機影響到塔頂機艙的總重量，對塔架、基礎(chǔ)的成本，對大件運輸和安裝的成本，均有不同程度的影響；再加上同發(fā)電機的發(fā)電質(zhì)量對電網(wǎng)和供電的間接成本響應(yīng)也不一樣，從而都影響到整個發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性，使風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)方案的選擇成為影響風(fēng)力發(fā)電場度電成本的重要因素。
一個頗令人深思的現(xiàn)實是，風(fēng)力發(fā)電機在不同時期曾分別由永磁同步發(fā)電機、電勵磁同步發(fā)電機、籠型異步發(fā)電機、雙饋異步發(fā)電機四大不同機種擔綱主角，在不同場合和容量中，在不斷改進和完善中，在相互發(fā)展和超越中，經(jīng)過比較和爭奪，發(fā)揮各自優(yōu)勢，克服它者缺陷，此消彼長……直至今天，尚難分高下，而不像電網(wǎng)發(fā)電機那樣一直單純地由電勵磁同步發(fā)電機唱獨角戲。
籠型異步發(fā)電機結(jié)構(gòu)最簡單，葉尖制動失速型恒速機組曾在上世紀80一90年代成為主流機型。發(fā)電機實際結(jié)構(gòu)類同于大量采用的感應(yīng)異步電動機，是利用超同步運行的電動機處于發(fā)電狀態(tài)，將機械能轉(zhuǎn)化為有功電能反饋給電網(wǎng)達到發(fā)電的目的，由于電機中有功轉(zhuǎn)差功率耗散在轉(zhuǎn)子中，轉(zhuǎn)差率必須控制在I％內(nèi)，不能太大，所以籠型異步發(fā)電機只適用恒速風(fēng)力發(fā)電．此外該機種還必須由電網(wǎng)提供無功勵磁，所以功率因數(shù)低，不利于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定．目前已被發(fā)電量更高的變槳變速恒頻機種所淘汰。
電勵磁同步發(fā)電機在風(fēng)電系統(tǒng)中，屬于先進的變速恒頻發(fā)電技術(shù)，其風(fēng)能截獲率高，電壓易于隨轉(zhuǎn)速變化而加以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓。而需要全功率的變頻器．有電刷滑環(huán)，加上其龐大體積、重量和機組造價高于異步機，成為其顯著的缺陷。
雙饋異步發(fā)電機屬于第二類變速恒頻發(fā)電機種，且只需約1/3功率容量的變頻器，所以機組成本較低、性價比高，是當今的主流機型．國內(nèi)和國際上許多廠家生產(chǎn)該機型的大型風(fēng)機。美中不足的是該機種存在低電壓穿越的固有缺陷，對電網(wǎng)穩(wěn)定的支持能力差；而對齒輪箱的依賴又令其很難實現(xiàn)無齒輪箱直驅(qū)。
永磁同步發(fā)電機也屬于變速恒頻發(fā)電技術(shù)．與電勵磁同步機相比，轉(zhuǎn)子上無勵磁繞組，因此不存在勵磁繞組銅損耗，比同容量的電勵磁式發(fā)電機效率高；轉(zhuǎn)子上沒有滑環(huán)，運轉(zhuǎn)時更安全可靠；電機的重量輕、體積小、制造工藝簡便，因此在小型及微型風(fēng)力發(fā)電機中被廣泛采用，永磁發(fā)電機的缺點是電壓調(diào)節(jié)性能差（(I)。但永磁同步機在大型低速直驅(qū)風(fēng)機中．制造工藝要求高，制造成本比電勵同步機高；加上電壓調(diào)節(jié)能力差，需要全功率變頻器，成為推廣應(yīng)用的重大障礙。
二、無齒輪箱直驅(qū)機技術(shù)的進展
早在2002年8月制汀的我國國家級火炬計劃中，已將課題“研究開發(fā)無齒輪箱、多極低速發(fā)電機、變速恒頻等新型風(fēng)力發(fā)電機組”列人開發(fā)重點項目‘2004年8月10日，國家發(fā)改委一〔2004)753號文件《關(guān)于組織實施“節(jié)能和新能源關(guān)鍵技術(shù)”國家重大產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)專項的通知》中．專題列出：一無齒輪直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及發(fā)電機組相關(guān)制造技術(shù)”．作為國家重大產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)專項。
直驅(qū)機生產(chǎn)大戶—德國Enercon公司別具匠心．其電勵磁同步發(fā)電機具有絕對的市場優(yōu)勢，長期獨領(lǐng)直驅(qū)機技術(shù)和市場霸主地位。“Enercon公司可謂一枝獨秀，雖然全球幾個雄心勃勃的行業(yè)新軍近幾年也曾試圖進人這一市場。據(jù)評論，Enercon公司2003年在全球市場占有率為14.6%，(2007年，Enercon在德國風(fēng)機市場占有量超過50%)，依靠運行中的6800多臺單機功率從30kW到4.5MW的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組，Enercon與這些公司之間的差距仍在繼續(xù)加大。所有Enercon的競爭對手加在一起生產(chǎn)了不到200臺的直驅(qū)式的發(fā)電機組”(2)。
Enercon直驅(qū)機為電勵磁型，而我國金風(fēng)科技和湘電股份等企業(yè)引進的是永磁直驅(qū)同步機。“作為（永磁）直驅(qū)式發(fā)電機的供應(yīng)商，西門子公司似乎也冒著很大的風(fēng)險，這位德國工業(yè)巨頭試圖第二次參與爭奪直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機市場。20世紀九十年代，西門子公司曾與德國Seewind公司聯(lián)合開發(fā)的750kW風(fēng)力發(fā)電機組失敗，原因是西門子公司設(shè)計的永磁發(fā)電機造價太高。2003年4月，容量為3MW的西門子直驅(qū)永磁式變槳距控制樣機終于由挪威Scanwind公司安裝，并計劃在2005年用完全不同的技術(shù)建造第二臺樣機。Scanwind公司CEO說，他們的3MW產(chǎn)品概念可以用于直至容量為5MW級的機組，這是下一個研究與發(fā)展項目(2)。在風(fēng)機品種方面，西門子可以說是最全面的，既有雙饋異步和新型變速籠型異步，更有多種永磁直驅(qū)二在其官方網(wǎng)站上，曾登載過西門子直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機的照片，那短胖的機艙就是直驅(qū)機的特征據(jù)報道，該機效率高達98%,具有較高水平。
另據(jù)丹麥可再生能源世界雜志社REW（Renewable Ener.-Y World）2008年7月4日獨家新聞報道，“直驅(qū)是否會降低大型風(fēng)力發(fā)電機的能源成本？下周，西門子能源將在丹麥林可平安裝一臺高度白主創(chuàng)新的3.6兆瓦(MW）直驅(qū)式‘概念’風(fēng)機．并經(jīng)受二年期的試驗。可再生能源世界雜志社受邀來丹麥見證此項‘概念化’總成的成果，并聽取有關(guān)西門子此項重要的關(guān)鍵戰(zhàn)略和考量的一手報告（3)。西門子公司的目的是籍此評估直驅(qū)技術(shù)對于有齒輪大型機組是否有競爭性，還將在年內(nèi)安裝第二臺樣機（4）
