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直驱风力涡轮机崭露头角

作者:Frank J. Bartos2012.03.30阅读 11879

        人们对风力发电厂的第一印象就是那缓慢转动的宏伟的风力发电机叶片,法规对其物理运动有着严格的限制——对于50米或者更长的叶片,其叶片尖端速度要严格低于某一值。然而,为了发电,传统的风力发电机设计必须在以4-20转/分钟速度转动的涡轮转子和要求较高转速的标准发电机之间使用变速箱(或者加速器)。齿轮比通常要求超过100:1。
        一种可以提高效率的新风力涡轮发电机技术使用低速永磁体发电机,也就是所说的“直接驱动”取代变速箱。除了简化了涡轮的动力传动系统,直接驱动技术还减少了系统重量,由于使用了更少的零件,可靠性也更高,对维护的要求也相应降低。越来越多的风力涡轮发电机生产厂商开始生产直驱设备,目前热点集中在高功率额定值和离岸应用中。
        从控制的角度来看,直接驱动和齿轮驱动风力涡轮发电机并没有什么不同。这两种方法都采用了独立叶片的变距控制和涡轮机舱迎风向的偏航控制。采用功率转换器和变压器将发电机的输出电压和电流调整以符合电网的要求。涡轮控制器操控各种系统功能,并与多涡轮风力发电厂内的监控系统交互作业。
        事实上所有的直驱风力涡轮机供应商也提供齿轮传动式涡轮机,由于此种涡轮机已被广泛采用,并且具有优秀的整体性能,所以在可以想见的未来仍旧具有竞争力。最终的应用领域分化将取决于齿轮传动风力涡轮机和直驱风力涡轮机的未来使用经验和系统成本。
        Siemens Wind Power公司的CTO Henrik Stiesdal说道:“装机规格越大,直驱技术才越具优势,所以,齿轮驱动式涡轮机在低功率领域还是具有竞争力的。”同时,对于这两种设计思路相对功率转换成本和系统稳定性曲线,供应商们均三缄其口。
        去除变速箱=减轻12吨
        不再使用涡轮机舱内最重的部件——变速箱,确实带来了一定的重量优势。
        Stiesdal指出:“Siemens公司的3兆瓦直接驱动涡轮机和2.3兆瓦齿轮驱动涡轮机使用同样的101米转子,而前者比后者轻了12吨。”图1中所示即为直接驱动风力涡轮机(SWT-3.0-101)。


图1  Siemens 3兆瓦直驱涡轮机的机舱长6.8米直径4.2米,普通车辆就可以运输。外转子发电机设计减少了涡轮机舱的重量。图片来源:Siemens公司。

        变速箱的可靠性历来为业界所关注。高动态负载环境和多运动部件要求提前监控和维护,尽管近期报道了一些变速箱故障的案例,但是涡轮机生产厂商仍旧视产品可靠性为重中之重。
        Stiesdal解释道:“目前CONTROL ENGINEERING China版权所有,Siemens齿轮驱动涡轮机是风能领域的稳定性标杆,而其稳定性却已经很难再提高了。但是直驱涡轮机具有更少的运动部件,且总元件数减少了一半,这定会对稳定性的提升有所帮助。”
        放弃使用变速箱能够提升传动系统效率,而且涡轮机机舱的长度也显著缩短了。于苏黎世召开的2010电机峰会上,瑞士公司MagnetDrives AG对直驱涡轮机的效率和其他优势做了介绍。
        Magnet- Drives公司的负责人Stefan Berchten博士对比了2兆瓦无齿轮驱动风力涡轮和齿轮驱动风力涡轮机的设计,前者比后者轻5吨,效率分别为94%和92.4%,直驱风力涡轮机占有优势。对于直接驱动工程所需要多付出的5%的投资,Berchten预测将在7年内,通过维护成本降低、能源节约和总成本减少的形式回收。
        低速发电机
        为了能够在低旋转速度下发电,需要一种不同的发电机设计。永磁同步发电机极有效率地满足了这种需求,而且,对于直接驱动涡轮机,它的外观类似“甜甜圈”,而不像传统发电机的圆柱形外观。从本质上来说更大直径的发电机能够增加永磁相对于定子绕组的有效旋转运动,进而得到更大的扭矩。
        Switch Controls & Converters公司是一家兆瓦级永磁发电机和全功率转换套件供应商www.cechina.cn,它指出在直驱涡轮机上使用永磁同步发电机具有更高的效率。Switch公司的副总裁兼总经理Anders Troedson解释说,重要的是即使在不完全负载状态下——涡轮机必须经常工作于风力不稳定状态下,永磁发电机效率仍旧很高,接近于标称值。例如,一台在22转/分转速下额定功率为2.2兆瓦的发电机的满负载效率为94.4%,而在25%负载下时的效率为92.9%,仍旧相当高。公司其他型号的直接驱动发电机型在同样参数下的25%负载效率甚至还能更高。


图2  Switch公司生产的3种尺寸的低速永磁发电机覆盖了1.65到6兆瓦及以上的区间。速度范围为16-18转/分钟CONTROL ENGINEERING China版权所有,内转子和外转子设计均可。资料来源:Switch公司。

        而且,永磁发电机无需会带来额外损耗的它励、集电环和旋转绕组,与双馈感应电机(DIFG)相比,它所需的维护更少。虽然DFIG是目前使用最多的发电机,但是由于功率因素的限制和缺乏故障穿越能力等原因,它并不适用于直驱应用。在涡轮机20年运营期限内,永磁发电机据称也是非常具有性价比的。
        Troedson说道:“直驱发电机设计需要特殊磁铁形状和布局,以适应特殊的风力条件并达到最优效率。”另一个特性是特殊的定子结构www.cechina.cn,它具有多个独立的部分,由不同的转换器控制(就是所谓的驱动冗余)。他说道:“在某一个部分发生较小故障时,涡轮机可能仍旧可以工作。”
        对于其他的发电机类型,Troedson补充道:“分激同步发电机虽然可行,也可以用于直驱领域,但是效率并不高。”这种技术最大的用户是一家德国风力涡轮机生产厂商Enercon。
        除了低速发电机,Switch公司还提供中速和高速发电机,搭配其全功率变换器,可以实现高效稳定的工作。
        更高的功率
        为了获得更高的功率输出,包括离岸应用场合,直驱发电机依赖于稀土永磁材料——通常是钕铁硼(Nd-Fe-B)。但是,技术并非免费午餐,去除变速箱的代价就是需要大量这种昂贵的磁性材料,而此材料正面临着供应短缺。据Siemens公司称,每兆瓦风力涡轮机装机容量大约需要650公斤磁性材料,其中25%-30%都是稀土永磁材料。
        Stiesdal指出:“这些材料成本也要计算在直驱产品的报价内。”
        最近稀土永磁材料面临着策略性采购问题,所以用户已经开始寻找替代品。
        Stiesdal补充道:“目前销售的发电机使用含钕和镝的永磁材料,由于这种稀土元素的短缺,一种不使用稀土磁性材料而使用系统磁化的技术应运而生。”
        在最近的介绍和市场宣传中可以发现很多提到直驱风力涡轮机具有更高的功率输出。作为美国领先的风力涡轮机生产商,GE Energy公司于2011年3月发布了一款4兆瓦涡轮机,专门用于离岸风能应用领域。此4.1-113直驱涡轮机的设计据说具有内嵌冗余能力和部分负载工作能力。据该公司称,直驱技术聚焦于“使涡轮机在海上更稳定地运行,并运用模块化的方法尽可能多地进行本地维修,减少对于大型维修船只的需求。”
        4.1-113额定风速为14米/秒,其转子直径为113米。它是由GE公司的3.5兆瓦 直驱涡轮机演变而来,自从2005年就应用于挪威海岸的高风速和高气流扰动环境下。2011下半年,新款涡轮机被运抵瑞典的Göteborg Energi并安装在Gothenburg海港。
        GE公司近期还宣传将在德国、挪威、瑞典和英国投资3亿4千万欧元生产4兆瓦无齿轮驱动风力涡轮机控制工程网版权所有,以满足2012年离岸风能应用的需要。GE的直驱技术在2009年挪威ScanWind公司的采购中获得长足的发展。
        Siemens Energy公司和Alstom公司以及其他一些公司也发布了大型直驱风力涡轮机。2011年6月,Siemens公司在丹麦安装了使用直驱转子技术的最新离岸涡轮机原型机,在具有120米转子直径的6兆瓦机组上试运行。
        同时,Alstom公司开始生产采用直驱技术(见图3)的6兆瓦离岸涡轮机的原型机,第一台原型机于2011年底安装在法国西海岸。据他们称,Siemens公司和Alstom公司的风力涡轮机预计能在2014年实现量产。


图3  Alstom公司的6兆瓦原型风力涡轮机应用于离岸应用中,显示了直接驱动技术向大功率输出的发展趋势。“甜甜圈”形状的大型直驱发电机令人眼前一亮。图片来源:Alstom公司。

        相比之下,丹麦的Vestas公司已经早在2011年初发布的7兆瓦离岸涡轮机上采用了齿轮设计。具有164米转子直径的原型机预计在2012年第四季度生产。
        并不适用所用场合
        直驱风力涡轮机标榜高功率,而轻薄的物理尺寸则是其机械上的短板。
        Troedson说道:“使用直接驱动技术实现8到10兆瓦额定功率时,问题频发。由于对大扭矩的要求,发电机的尺寸和重量急剧增加。”除了设计上的限制,例如机械强度、加工公差和轴承要求,Troedson还指出了如下约束条件:
        ■ 发电机重量和尺寸——必须限制以避免扩建塔基以承受更大的涡轮机重量;
        ■ 气隙设计——控制流量密度要求,并防止转子-定子擦碰;
        ■ 动态短路电路——必须满足最小气隙要求。
        Troedson解释道,这些因素会变得非常重要,影响发电机的选择。他说:“单级变速箱配用的发电机较小较轻,也具有和直接驱动发电机相类似的优点,因此我们发现一些选择大型发电机的客户喜欢使用单级变速箱搭配直接驱动技术使用。”
        基于以上观点,Troedson强调发电机设计人员和涡轮机设计人员需要更紧密地配合,以优化涡轮机的整体设计,而不是各行其是。
        风力涡轮机技术前景大好。

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