先和你說個消費電子領(lǐng)域的例子：有些玩家通過將CPU進行超頻“免費”獲得了計算能力升級，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行，即便可以將CPU超頻運行，其代價是CPU功耗增加、發(fā)熱嚴重、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)電機組意味著什么呢？回答這個問題，要從風(fēng)電機組的設(shè)計和優(yōu)化談起。
先來看風(fēng)電機組的核心部件——發(fā)電機。在額定功率、體積、重量、經(jīng)濟性等各個指標的綜合約束下，如何提高發(fā)電機性能和效率一向是機組設(shè)計需要重點突破的區(qū)域。
必須提及的是，提到發(fā)電機效率，就不得不考慮電機損耗這個關(guān)鍵概念。風(fēng)電機組發(fā)電機的損耗主要來源于銅耗、鐵耗、機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
一個有趣的事實值得注意：那就是，相同額定功率下不同額定扭矩的發(fā)電機其銅耗大不相同，對于較低扭矩的高速異步發(fā)電機而言，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，其在額定效率下的銅耗會非常高。這是為什么呢？其實原因很簡單，因為
P 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)形式的機組其最優(yōu)效率點都遠低于額定功率，而是在1/2甚至1/3的額定功率工作點才能達到最優(yōu)效率，其根本原因是，在諸多制約條件（體積、重量、經(jīng)濟性等）下，難以為低速直驅(qū)電機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。
實際上，如果為2MW級的低速同步永磁電機額定功率提升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)電機在電流更大的更高功率工作點上其效率快速下降。而對于低扭矩低電流的高速異步發(fā)電機而言，在保證經(jīng)濟性的前提下，將發(fā)電機額定效率提升至97%或更高并非難事。說到這里，你可能會理解超導(dǎo)技術(shù)對于低轉(zhuǎn)速、大扭矩發(fā)電機技術(shù)革命性的意義了吧？
必須注意的是，發(fā)電機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，電機需要在保證磁場密度的同時，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可以將硅鋼片做的更薄，硅鋼片用量及所需建立的磁場強度遠低于同樣功率等級的低速直驅(qū)電機，且能夠有效抑制鐵耗。而體積龐大的低速永磁電機往往受經(jīng)濟性等條件制約，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，由于其大電流和強磁場所導(dǎo)致的大量損耗是不可避免的，實際上對于發(fā)電機，特別是大扭矩發(fā)電機的散熱設(shè)計是體現(xiàn)發(fā)電機設(shè)計理念的關(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)這點事，你對超發(fā)的認識應(yīng)該比較清楚了。
實際上，如果要實現(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)時是按照平方的倍數(shù)增加，帶來更大的發(fā)熱量。與此同時，隨著發(fā)熱量和工作溫度的提高，銅導(dǎo)體的電阻率會進一步上升。特別是對于直驅(qū)形式的大扭矩發(fā)電機，本來額定工作點上的損耗已經(jīng)處于高位，進一步的超過額定功率運行，其損耗會按照非線性比率增加，發(fā)熱量會尤其嚴重。
問題就來了，溫升的提高會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)險大大增加。而對于風(fēng)電機組而言，電機絕緣系統(tǒng)失效通常不能在機艙內(nèi)修復(fù)，意味著高昂的更換費用，以及長時間停機帶來的發(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)境溫度低的時候進行動態(tài)超發(fā)；另一個方面，可以通過加大散熱系統(tǒng)來實現(xiàn)溫升的控制。但必須提及的是，如果把超發(fā)常態(tài)化，難道真的就是免費的午餐嗎？
其實，通過對超發(fā)這個問題的本質(zhì)探討，你不難發(fā)現(xiàn)，對于購買低速高扭矩電機的客戶而言，購買的其實不是所謂的發(fā)電機額定功率，而是發(fā)電機的效率，因為低速高扭矩電機可以通過加強散熱系統(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)電機的額定功率，但問題是如果要保持電機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)電機繞組的電阻。
你看，這正如天下沒有免費的午餐，不對機組進行實際升級改造基礎(chǔ)上的“免費”超發(fā)在技術(shù)上是非常危險的；而通過加強散熱系統(tǒng)達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的，最終這都是由用戶來為之買單，就不好了吧？
