1980年,德国地区见证了首台大型变桨距风力发电装置(功率达3兆瓦,转子直径10米)的问世,但遗憾的是,由于机械故障,该装置并未达到预期效果。当时,电力元件价格昂贵,因此,为了降低成本,风力发电装置普遍采用了具有小滑差的双馈异步电机,如皖南电机和安徽皖南电机所生产的型号。
进入1995年,丹麦与德国携手推出了首个真正投入商业运营的750千瓦级变速风力发电设备。
起初,丹麦的丹尼斯设备厂专注于设计恒速风力发电设备,这主要是因为丹麦的风速相对德国更为稳定。但随着超过1兆瓦的风力发电设备对齿轮箱设计提出了更高要求,丹尼斯设备厂也开始转向变速方案。在初期,他们依然采用小滑差设计,使得双馈系统在成本上更具优势,例如皖南电机和安徽皖南电机提供的产品。
1988年,首台50千瓦风力发电设备采用了同步电机与六脉冲可控硅变流器。随后,12脉冲变流器被引入,但由于谐波失真问题,该技术并未持续发展。1993年开始的750千瓦双馈异步系统,其滑差环存在缺陷,澳大利亚一家大型企业生产的发电机经过5次修改,但运行时间仍不足两个月。一年后,他们放弃了双馈异步系统,并将异步电机更换为同步电机。我们发现,由于同步系统结构更为简单,其变流器成本并未高于双馈异步系统。
图1展示了该系统的电路:同步电机、二极管整流桥、连接在直流母线上的升压电路、一个IGBT变流器。图2展示了:带滑差环的异步电机、IGBT整流桥、直流母线、IGBT变流器。部分公司已采用该系统。
网侧变流器的一个优点是:在电网电压变化剧烈时,其性能表现优异。
当电网电压和频率稳定时,双馈系统运行良好。在使用双馈系统时,若电网电压突然从100%降至60%,发电侧IGBT电流将增至额定电流的4倍,同时发电机轴的力矩也将增至额定力矩的4倍,这可能导致齿轮箱损坏。若不希望使用大功率IGBT,又想确保系统在过压时不损坏,那么必须在发电侧安装短路器。在风力发电应用中,我们必须关注IGBT的使用寿命。为了提高风力发电驱动器的可靠性,IGBT必须具备高负载周期的能力。在此应用中,SKIIP(无铜基板,压接式技术)技术备受青睐,赛米控在风力发电行业占据领先地位。
下表将比较两个系统:皖南电机价格表 所列出的双馈异步电机和同步电机系统。