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国外直驱式风力发电机技术应用

风能作为一种洁净的可再生能源，随着技术逐步成熟，今后的运行成本会低于水电和火电，发展前景非常广阔。目前的风力发电机单机容量的不断增大, 变速恒频、变桨矩型风力机逐渐占据了主导地位。齿轮箱是在目前MW级风力发电机组中过载和过早损坏率较高的部件，国外开始研制一种直接驱动型的风力发电机组（亦称：无齿轮风力发动机），这种机组采用多级异步电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件（结构特征见下图），具备低噪声、提高机组寿命、减小机组体积、降低运行维护成本、较低的噪音、低风速时高效率等多种优点，在今后风力机发展中有很大的发展空间[1～4]。

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1995年美国纽约州的一家研究机构设计出一种新型可变磁阻发电机，即使风力发动机中的磁性装置取代了机械的齿轮箱。该设计的特点在于大量的极有一个比6个极造价还便宜的卷绕结构，可变磁阻电机的极结构能够承受万向操作而不需要提高造价[1]。

2000年，加拿大M.eng. M. Dubois博士提出风力发电机中的齿轮箱置于电机和转子之间对部分工作负载的效率提高不利，而且较易受损耗，若使用一个和风力机转速相同的电机就可以免去齿轮箱。事实上在水力电站应用直驱式低速旋转电机并不新鲜，然而应用于风力发电机则仍有一些问题需要研究，如University of Durham, Chalmers University of technology in Goteborg and Darmstadt University of Technology等高校研究了风力机中电机的合适重量；最适合的机型(同步、永磁、可变磁阻等型式)选择；电流和压力的波动所导致的最高扭矩密度；联网用的变流器的选择；采取何种措施达到应有的噪音水平；在目前推荐使用由多个模块组成，方便运输，且某部件失效时仍可正常运行的电机的情况下，是否能设计不含额外损耗的电机；永磁电机由于高效高扭矩密度而越来越多地被采用，这是否会导致过量的铁损耗，磁性材料的选择，如何磁化这些材料，在运行或失效的情况下如何防止消磁状况[4]。

1997年的风机力市场上出现了兼具无齿轮、变速变浆距等特征的风力机, 这些高产能、运行维护成本低的先进机型有E-33、E-48、E-70等型号，容量从330kW至2MW，由德国 ENERCON GmbH公司制造，它们的制造始于1992年[4]。2000年瑞典ABB公司研制成功了3MW的巨型可变速风力发电机组，其中包括永磁式转子结构的高压风力发电机Windformer，容量3MW、高约70m、风扇直径约90m[5,6]。2003年在Okinawa电力公司开始运行的MWT-S2000型风力机是日本三菱重工首度完全自行制造的2MW级风机，采用小尺寸的变速无齿轮永磁同步电机，新型轻质叶片[12]。下表为部分风力机制造商所申请的直驱式风力机的相关专利：

专利号	专利名称	申请人	申请日/公开日	同族专利
DE4437972	Permanent magnet excited wind power generator	SIEMENS AG (DE)	1996.4.25/1994.10.24
EP0864748	Low speed gearless wind turbine	JEUMONT IND (FR); FRAMATOME SA (FR)	1998.9.16/1998.3.10	WO9840627 US6285090 FR2760492 CA2280935 EP0864748
WO03008802	METHOD AND DEVICE FOR SPEED-VARIABLE POWER ELECTRONIC ADJUSTMENT OF A GEARLESS WIND POWER PLANT	ABB RESEARCH LTD (CH);; DATTA RAJIB (DE);; BERNET STEFFEN (DE);; REINOLD HARRY (DE)	2003.1.30/2002.7.16	EP1407141 US2004119292 DE10134883
US2004119292	Method and configuration for controlling a wind energy installation without a gearbox by electronically varying the speed	ABB research ltd.	2004.6.24/2003.12.11	WO03008802 EP1407141 DE10134883
US2003209912	Wind power electrical generating system	BADGER RANDALL (US)	2003.11.13/2003.5.6
RU2211950	WIND SET WITHOUT REDUCTION GEAR	KIRSANOV ALEKSANDR VIKTOROVICH	2003.9.10/2001.11.6
EP1394406	Gearless wind turbine with multiple generator	KLINGER FRIEDRICH PROF DR-ING (DE)	2004.3.3/2003.8.22	DE10239366
WO2005019642	WIND TURBINE BLADE PITCH CHANGE BY MEANS OF ELECTRIC STEPPING MOTOR	GEN ELECTRIC (US);; HAGEDORN RALF (DE)	2005.3.3/2003.8.21
SU1772409	WIND PLANT WITHOUT REDUCTION GEAR	UFIMSK AVIATSION INST (SU)	1992.10.30/1990.5.7
DE2533805	Wind power driven generators-in wgich several direct driven units are electrically connected together have gearless connection between wind vanes and generators		1977.3.24/1975.7.29

可以发现，（直驱式）无齿轮风力发电机始于20多年前，却在近几年又重新引起研究人员的极大兴趣，积极将该技术应用于产品推向风力发电市场，德国、美国、丹麦都是在该技术领域发展较为领先的国家。其中德国西门子公司开发的（直驱式）无齿轮同步发电机被安装在世界最大的挪威风力发电场，据称效率达98%[15]。

参考文献：

1.标题：无齿轮风力发电机

出处：河南科技 1995,(6) 26

2.标题：直接驱动式风力发电机组简介

出处：风力发电 2004,20(4) 31～32

3.标题：1.2MW变速恒频直接驱动型风力发电机组

出处：http://www.cws.net.cn/market/productioninfo.asp?myid=1

4. 标题：Direct-drive generators for wind turbines

出处：http://www.ee.its.tudelft.nl/epp/Research/Projects%/20 PhD /PhD _f003.htm

5.标题：当今的永磁材料及大型永磁风力发电机

出处：安徽电力科技信息 2004，(6) 38-39

6.标题：新型风力发电系统

出处：高电压技术 2005，31(1) 63-65

7.标题：大型风力发电成套设备

出处：万方数据库中国科技成果

成果持有者：发电设备国家工程研究中心

8. TI：Windformer Wind power goes large-scale

SO: ABB Review．2000,(3) 31-37

9.TI:Powerformer a radically new rotating machine

SO: ABB Review．1998,(2)：21-26

10．TI: Breaking conventions in electrical power plants SO: CIGRE Swedn 1998,paper 11：1.1

11. 标题：The wind turbine

出处：http://www.windmission.dk/workshop/BonusTurbine.pdf

12. 标题：Variable Speed Gearless Wind Turbine

出处：http://www.mhi.co.jp/nsmw/mwt/en/gearless.html

13. 标题：Potential starter/generator technologies for future aerospace applications

出处：IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine v 12 n 5 May 1997. p 24-31

14. 标题：Wind energy – A natural and significant source of electricity

出处：2004 AIChE Spring National Meeting, Conference Proceedings

15. 标题：西门子无齿轮发电机可将效率提升至98%

出处：电力系统装备 2004,(11) 43

16. 标题:The first 2000kW Wind Turbine Generator in Japan starts operation at Okinawa

出处: http://www.mhi.co.jp/power/e_power/topics/2003/may_05.html 8/20/2005


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