先和你說個(gè)消費(fèi)電子領(lǐng)域的例子：有些玩家通過將CPU進(jìn)行超頻“免費(fèi)”獲得了計(jì)算能力升級，這偷著樂的事情令其中的玩家顧不上超頻可能導(dǎo)致的惡果了。
無獨(dú)有偶，眼下的風(fēng)電領(lǐng)域也有類似聲音：不花錢就可以將風(fēng)電機(jī)組的額定功率升級，從而獲得更多的發(fā)電量。但請你要想想這樣“免費(fèi)的午餐”是不是真的靠譜？
眾所周知，CPU的超頻能力和CPU自身的硬件底子有很大關(guān)系，底子比較差的CPU根本就不適合超頻運(yùn)行，即便可以將CPU超頻運(yùn)行，其代價(jià)是CPU功耗增加、發(fā)熱嚴(yán)重、電遷移、信號變差、抗干擾能力變?nèi)跄酥劣布p毀等后果，不一而足。
那么回到風(fēng)電領(lǐng)域，從額定功率超發(fā)究竟對風(fēng)電機(jī)組意味著什么呢？回答這個(gè)問題，要從風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和優(yōu)化談起。
先來看風(fēng)電機(jī)組的核心部件——發(fā)電機(jī)。在額定功率、體積、重量、經(jīng)濟(jì)性等各個(gè)指標(biāo)的綜合約束下，如何提高發(fā)電機(jī)性能和效率一向是機(jī)組設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)突破的區(qū)域。
必須提及的是，提到發(fā)電機(jī)效率，就不得不考慮電機(jī)損耗這個(gè)關(guān)鍵概念。風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)的損耗主要來源于銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗和雜散損耗等，而其中最為關(guān)鍵的是銅耗和鐵耗這兩大類。
銅耗，是電機(jī)使用的銅導(dǎo)體帶來的損耗，與其通過的電流直接相關(guān)。當(dāng)使用的銅導(dǎo)體導(dǎo)電性能越高、電阻越低，在相同的電流下的損耗就越小（見下式）。
P Cu = I2 x R
一個(gè)有趣的事實(shí)值得注意：那就是，相同額定功率下不同額定扭矩的發(fā)電機(jī)其銅耗大不相同，對于較低扭矩的高速異步發(fā)電機(jī)而言，其額定效率下的銅耗相對較小，而對于低轉(zhuǎn)速高扭矩的低速永磁同步發(fā)電機(jī)，其在額定效率下的銅耗會(huì)非常高。這是為什么呢？其實(shí)原因很簡單，因?yàn)?span style="box-sizing: border-box !im
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Cu = I2 x R，銅耗和電流的平方成正比，而扭矩越高，在既定的磁場強(qiáng)度情況下，所需要切割磁力線的等效電流就越大，因此銅耗就會(huì)以平方的關(guān)系上升。所以，這就不難理解為什么任何直驅(qū)形式的機(jī)組其最優(yōu)效率點(diǎn)都遠(yuǎn)低于額定功率，而是在1/2甚至1/3的額定功率工作點(diǎn)才能達(dá)到最優(yōu)效率，其根本原因是，在諸多制約條件（體積、重量、經(jīng)濟(jì)性等）下，難以為低速直驅(qū)電機(jī)如此之高的額定扭矩（如此之高的額定電流）提供需要的如此之低的繞組電阻。
實(shí)際上，如果為2MW級的低速同步永磁電機(jī)額定功率提升1%的效率，需要增加成噸的銅來降低繞組的電阻才可以達(dá)成，但是這又受到重量、成本、體積等多方面的制約，這使得大扭矩的直驅(qū)電機(jī)在電流更大的更高功率工作點(diǎn)上其效率快速下降。而對于低扭矩低電流的高速異步發(fā)電機(jī)而言，在保證經(jīng)濟(jì)性的前提下，將發(fā)電機(jī)額定效率提升至97%或更高并非難事。說到這里，你可能會(huì)理解超導(dǎo)技術(shù)對于低轉(zhuǎn)速、大扭矩發(fā)電機(jī)技術(shù)革命性的意義了吧？
必須注意的是，發(fā)電機(jī)損耗的主要來源除了銅耗，就是鐵耗，什么叫鐵耗呢？眾所周知，發(fā)電機(jī)工作的基本原理是導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生電流，而磁場是靠一層層疊在一起的硅鋼片傳導(dǎo)磁力線來傳導(dǎo)的，如下圖所示。
在電機(jī)中使用的硅鋼片示例
疊在一起的硅鋼片越薄，其傳導(dǎo)磁場的效率就越高。鐵耗就是指磁場在傳導(dǎo)的過程中產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗。
舉一個(gè)理解鐵耗的例子——電磁爐就是利用磁場傳遞中產(chǎn)生的渦流發(fā)熱來加熱食物，見下圖。
鐵耗和功率的關(guān)系是近似線性的，其斜率和疊在一起的硅鋼片的導(dǎo)磁效果相關(guān)。一般而言，與電磁爐需要產(chǎn)生大量熱量的工作原理相反，電機(jī)需要在保證磁場密度的同時(shí)，抑制發(fā)熱量以降低損耗。結(jié)構(gòu)緊湊的高速低額定扭矩的電機(jī)可以將硅鋼片做的更薄，硅鋼片用量及所需建立的磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)低于同樣功率等級的低速直驅(qū)電機(jī)，且能夠有效抑制鐵耗。而體積龐大的低速永磁電機(jī)往往受經(jīng)濟(jì)性等條件制約，不選擇更薄的硅鋼片，使其鐵耗始終位于較高水平。
所以，說到這里，你可能注意到，大扭矩的直驅(qū)發(fā)電機(jī)，由于其大電流和強(qiáng)磁場所導(dǎo)致的大量損耗是不可避免的，實(shí)際上對于發(fā)電機(jī)，特別是大扭矩發(fā)電機(jī)的散熱設(shè)計(jì)是體現(xiàn)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)理念的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，這部分內(nèi)容留到下篇再講。
到此，再看超發(fā)這點(diǎn)事，你對超發(fā)的認(rèn)識應(yīng)該比較清楚了。
實(shí)際上，如果要實(shí)現(xiàn)功率超發(fā)，在并網(wǎng)電壓不變的情況下，提升扭矩勢必要更高電流，銅耗在超發(fā)時(shí)是按照平方的倍數(shù)增加，帶來更大的發(fā)熱量。與此同時(shí)，隨著發(fā)熱量和工作溫度的提高，銅導(dǎo)體的電阻率會(huì)進(jìn)一步上升。特別是對于直驅(qū)形式的大扭矩發(fā)電機(jī)，本來額定工作點(diǎn)上的損耗已經(jīng)處于高位，進(jìn)一步的超過額定功率運(yùn)行，其損耗會(huì)按照非線性比率增加，發(fā)熱量會(huì)尤其嚴(yán)重。
問題就來了，溫升的提高會(huì)直接大幅縮減絕緣材料的壽命，那么絕緣系統(tǒng)失效的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。而對于風(fēng)電機(jī)組而言，電機(jī)絕緣系統(tǒng)失效通常不能在機(jī)艙內(nèi)修復(fù)，意味著高昂的更換費(fèi)用，以及長時(shí)間停機(jī)帶來的發(fā)電量損失。
但從理論上說，并不是沒有辦法控制超發(fā)所帶來的溫升提高，一方面，可以通過控制系統(tǒng)結(jié)合環(huán)境溫度，在環(huán)境溫度低的時(shí)候進(jìn)行動(dòng)態(tài)超發(fā)；另一個(gè)方面，可以通過加大散熱系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)溫升的控制。但必須提及的是，如果把超發(fā)常態(tài)化，難道真的就是免費(fèi)的午餐嗎？
其實(shí)，通過對超發(fā)這個(gè)問題的本質(zhì)探討，你不難發(fā)現(xiàn)，對于購買低速高扭矩電機(jī)的客戶而言，購買的其實(shí)不是所謂的發(fā)電機(jī)額定功率，而是發(fā)電機(jī)的效率，因?yàn)榈退俑吲ぞ仉姍C(jī)可以通過加強(qiáng)散熱系統(tǒng)功率來控制由于大幅度犧牲效率導(dǎo)致的溫升,實(shí)現(xiàn)輸出功率提升。因此,理論上講，不是不可能通過超發(fā)常態(tài)化來提升直驅(qū)發(fā)電機(jī)的額定功率，但問題是如果要保持電機(jī)效率不降低的前提下來提升額定功率，你要算算需要增加多少銅來降低發(fā)電機(jī)繞組的電阻。
你看，這正如天下沒有免費(fèi)的午餐，不對機(jī)組進(jìn)行實(shí)際升級改造基礎(chǔ)上的“免費(fèi)”超發(fā)在技術(shù)上是非常危險(xiǎn)的；而通過加強(qiáng)散熱系統(tǒng)達(dá)到的額定功率的提升則是以非線性增加的效率損失為代價(jià)的，最終這都是由用戶來為之買單，就不好了吧？
