風力發電技術的現狀與發展趨勢

2 變速恒頻發電系統

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利用變速恒頻發電方式,風力機就可以改恒速運行為變速運行,這樣就可能使風輪的轉速隨風速的變化而變化,使其保持在一個恒定的最佳葉尖速比,使風力機的風能利用系數在額定風速以下的整個運行范圍內都處于最大值,從而可比恒速運行獲取更多的能量.尤其是這種變速機組可適應不同的風速區,大大拓寬了風力發電的地域范圍.即使風速躍升時,所產生的風能也部分被風輪吸收,以動能的形式儲存于高速運轉的風輪中,從而避免了主軸及傳動機構承受過大的扭矩及應力,在電力電子裝置的調控下,將高速風輪所釋放的能量轉變為電能,送入電網,從而使能量傳輸機構所受應力比較平穩,風力機組運行更加平穩和安全.

風力發電機變速恒頻控制方案一般有四種:鼠籠式異步發電機變速恒頻風力發電系統;交流勵磁雙饋發電機變速恒頻風力發電系統;無刷雙饋發電機變速恒頻風力發電系統;永磁發電機變速恒頻風力發電系統[14~15].

2.1 鼠籠式異步發電機變速恒頻風力發電系統

采用的發電機為鼠籠式轉子,其變速恒頻控制策略是在定子電路實現的.由于風速是不斷變化的,導致風力機以及發電機的轉速也是變化的,所以實際上鼠籠式風力發電機發出的電是頻率變化的,即為變頻的,通過定子繞組與電網之間的變頻器把變頻的電能轉化為與電網頻率相同的恒頻電能.盡管實現了變速恒頻控制,具有變速恒頻的一系列優點,但由于變頻器在定子側,變頻器的容量需要與發電機的容量相同,使得整個系統的成本、體積和重量顯著增加,尤其對于大容量的風力發電系統.

2.2 雙饋式變速恒頻風力發電系統

雙饋式變速恒頻風力發電系統常采用的發電機為轉子交流勵磁雙饋發電機,其結構與繞線式異步電機類似.由于這種變速恒頻控制方案是在轉子電路實現的,流過轉子電路的功率是由交流勵磁發電機的轉速運行范圍所決定的轉差功率,該轉差功率僅為定子額定功率的一小部分,故所需的雙向變頻器的容量僅為發電機容量的一小部分,這樣該變頻器的成本以及控制難度大大降低.這種采用交流勵磁雙饋發電機的控制方案除了可實現變速恒頻控制,減少變頻器的容量外,還可實現對有功、無功功率的靈活控制,對電網而言可起到無功補償的作用.缺點是交流勵磁發電機仍然有滑環和電刷.

目前已經商用的有齒輪箱的變速恒頻系統,大部分采用繞線式異步電機作為發電機,由于繞線式異步發電機有滑環和電刷,這種摩擦接觸式結構在風力發電惡劣的運行環境中較易出現故障.而無刷雙饋電機定子有兩套級數不同繞組,轉子為籠型結構,無須滑環和電刷,可靠性高.這些優點都使得無刷雙饋電機成為當前研究的熱點.但在目前,這種電機在設計和制造上仍然存在著一些難題.

2.3 直驅型變速恒頻風力發電系統

近幾年來,直接驅動技術在風電領域得到了重視.這種風力發電機組采用多極發電機與葉輪直接連接進行驅動,從而免去了齒輪箱這一傳統部件,由于其具有很多技術方面的優點,特別是采用永磁發電機技術,其可靠性和效率更高,處于當今國際上領先地位,在今后風電機組發展中將有很大的發展空間.在德國2003 年上半年所安裝的風力機中,就有40.9%采用了無齒輪箱系統.直驅型變速恒頻風力發電系統的發電機多采用永磁同步發電機,其轉子為永磁式結構,無須外部提供勵磁電源,提高了效率.其變速恒頻控制也是在定子電路實現的,把永磁發電機發出變頻的交流電通過變頻器轉變為與電網同頻的交流電,因此變頻器的容量與系統的額定容量相同.采用永磁發電機可做到風力機與發電機的直接耦合,省去了齒輪箱,即為直接驅動式結構,這樣可大大減少系統運行噪聲,提高了可靠性.盡管由于直接耦合,永磁發電機的轉速很低,使發電機體積很大,成本較高,但由于省去了價格更高的齒輪箱,所以,整個系統的成本還是降低了.

另外,電勵磁式徑向磁場發電機也可視為一種直驅風力發電機的選擇方案,在大功率發電機組中,它的直徑大而軸向長度小.為了能放置勵磁繞組和極靴,極距必須足夠大,它輸出的交流電頻率通常低于50 Hz,必須配備整流逆變器.

直驅式永磁風力發電機的效率高、極距小,況且永磁材料的性價比正得到不斷提升,應用前景十分廣闊.

2.4 混合式變速恒頻風力發電系統

直驅式風力發電系統不僅需要低速、大轉矩電機而且需要全功率變流器,為了降低電機設計難度,帶有低變速比齒輪箱的混合型變速恒頻風力發電系統得到實際應用.這種系統可以看成是全直驅傳動系統和傳統解決方案的一個折中.發電機是多極的,和直驅設計本質上一樣,但它更緊湊,相對來說具有更高的速度和更小的轉矩.

2.5 其他

開關磁阻發電機和無刷爪極自勵發電機也可以用在風力發電系統中.其中,開關磁阻發電機為雙凸極電機,定子、轉子均為凸極齒槽結構,定子上設有集中繞組,轉子上既無繞組也無永磁體,故機械結構簡單、堅固,可靠性高.

無刷爪極自勵發電機與一般同步電機的區別僅在于它的勵磁系統部分.其定子鐵心及電樞繞組與一般同步電機基本相同.由于爪極發電機的磁路系統是一種并聯磁路結構,所有各對極的磁勢均來自一套共同的勵磁繞組,因此與一般同步發電機相比,勵磁繞組所用的材料較省,所需的勵磁功率也較小.幾種變速恒頻控制方案的對比如表1所列.