
根据“差速同步电机”的理论,我们在七十年代末制造出以旋转磁场为动力的高效摆动电机和展开成直线的往复运动电机样机各一台,并完成了变频电机的研究;在八十年代末一次性成功制造出一台大功率感应式变频机样机。
依靠对风力发电技术的长期探索积累,研究所干2004年推出PCT风力发电机技术,2008年推出高性价比的电机变频机组技术;2009年,西门子中国高科技企业化研究中心从公共渠道得到信息,曾主动提议与亿途共同研发和制造PCT实验样机。
2、PCT无刷励磁大型直驱风力发电机
针对大型直驱机采用多极结构,低速机又必须增大电机直径,致使发电机变成粗胖饼形,招致机舱空气动力特性恶化、重心偏离塔筒所带来的种种不利结构影响。PCT首先将电机极从一个定子转子朝轴向延伸,成为二个定子转子,即形成一台同步发电机和一台双馈发电机串联运行的新结构模式,产生了同步——异步二次发电的新理论。
图4所示为PCT同步发电机的基本结构。左半为励磁式同步发电机,励磁绕组在定子端.电枢在转子上,构成转枢式同步发电机,而不同于通常的转场式同步机。转子绕组所产生的旋转磁场方向与转速方向相反。
图右半部为一台双馈发电机,转子绕组为输人,定子绕组为输出。如果将同步机转子绕组一与双馈机转子绕组反向连接,那么由同步机输出的电功率在右边转子产生.与轴转速同方向的旋转磁场,双馈发电机定子将输出加倍的电功率,二次发电的机理得以实现,如果二台发电机的极对数分别为P1和P2,那么该PCT发电机就相当干一台极对数为(Pl+112)的普通同步发电机由于众多电机极分布在二台电机中.发电机直径白然就可很容易地缩减40%。如采用PCf技术,不光是西门子的3.6MW直驱机可以从5.5米直径减小到3米多.即使5MW直驱式风力发电机的直径也不会超过4米,因为4米是陆上超高超宽大件运输的一道难以逾越的坎,超过此限,运输成本将成倍增加。
由于PCT发电机细长的体型可放省于狭窄的机舱,使风电机舱的空气动力特性改善,风阻力减小;同时,细长的发电机使机舱重心后移至塔筒体内,对改善机组结构力学特性,降低塔筒和地基基础成本都有莫大的好处,也不必如西门子那样用增设双轴承和加长主轴的办法改善重心分布,因为这样做将增加不小的成本和风机上部重量。试比较图3a和图3b,也许能找到西门子不断改进直驱机结构的原因。
PCT风力发电机所带来的第二项重大技术进步在于,通过转子上二组绕组的电偶合,实际上将原有电机的转子功能,转移到另一台电机的定子上,所以,PCT电机永远是无刷结构。从图4中可以清楚地看到,对于左边的同步机而言,即使电枢放在转子上。但是它可以通过右边双馈机转子偶合,在双馈机定子上输出功率;而对于右边的双馈机而言,原本在它的转子上必须设置滑环电刷,以便向转子输送电功率,然而在PCT中,左边的同步机就成了它的供电源,电刷滑环同样可以省去。PCT的无刷结构还比现有无刷同步电机更先进,因为后者必须在转子上配置整流器等电子器件,而PCT上完全排除了电子器件在强电磁场中,易受电压电流冲击损坏的不可靠性,所以PCT机在无刷化上的经济性和可靠性是现有无刷电机难以攀比的而PCT在无刷化方面的技术优势,也有利于我国挑战直驱机技术巨头—德国Enercon公司有刷机技术.成为开创中国直驱机核心技术的利器。
PCI风力发电机的第二项重大技术进步是,它从源头上消除了双馈异步机的低电压穿越技术难题。众所周知,双 馈异步机的致命弱点是低电压穿越技术难题,其原因是,当电网电压出现不正常降落时,希望任何一台并网发电机都能增加输出以维持电网电压稳定,但是双馈机的转子励磁和有功功率均取自电网侧,定子要求转子输送更大功率,又遇到电网电压低的困境,使变频器雪上加霜,只有用增加电流的办法加以弥补,从而造成变频器严重的过流,很容易过载损坏。而在PCT机中,双馈异步机的电能取自同步发电机,与电网电压降落无直接关系,只要风轮透平机和系统机械能的供给足够,就能向电网输送超额的暂态电功率,有利于帮助电网恢复电压稳定,双馈异步机的低电压穿越问题被PCT技术从源头上得以克服。不难看出,PCT直驱风力发电机技术,实际上综合了目前风电技术中的直驱机技术和双馈机技术,有着巨大的发展空间。
3、电机变频机
由于直驱机去除了齿轮箱的不可靠因素,也节省了齿轮箱维护保养的高成本,技术进步是很明显的。但是,由于直驱机高昂的制造成本.即使扣除了原有齿轮箱的成本.多极直驱机还是要比原有被替代的齿轮箱加上高速发电机的成本高数倍,此外,直驱机需要额定容量的变频机,从而使直驱机的性价比直线下降。为了降低机组的成本.本系统采用电机变频技术,以电机变频代替昂贵的电子变频,成为提高系统性价比的不二选择。
电能的变频技术是变速恒频风力发电机组中的重要环节。电机变频可以说非常容易,也可以说非常困难通常的感应电机转子绕组,在低于同步转速下运行时都会输出低于电网频率的差频电能,可以很容易地实现变频目的;但是这样的变频电能不能独立加以利用.因为它与时电机的机械能状况密切联系、高度相关,并严格遵守转差功率的理论 数值,频率高电能多机械能少,频率低电能少而机械能多,要得到没有相关机械能的纯变频电能是不可能的,这就是电机变频困难的一面。
有些电机学著作中曾经出现过一种整流子电机,它可以实现不依赖于机械能的电机变频。但是,它与同样有相似换向器的直流电机间存在本质性的区别。直流电机换向是在零电压区间实现的,它不会遭遇电压短路.因而不会产生内部环流,电机的内耗小、效率高;而交流换向的机能完全不同,随机的电压短路、内部环流无法规避,电机会因内耗而发热,会产生环火,大量的功率内耗使电机效率大打折扣,所以也成为电机变频的一个难以逾越的技术坎,电机变频的困难一面由此可见。