風力發(fā)電技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
0 引言
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能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為全球可持續(xù)發(fā)展所面臨的主要問題,日益引起國際社會的廣泛關注并尋求積極的對策.風能是一種可再生、無污染的綠色能源,是取之不盡、用之不竭的,而且儲量十分豐富.據(jù)估計,全球可利用的風能總量在53 000 TW·h/年.風能的大規(guī)模開發(fā)利用,將會有效減少石化能源的使用、減少溫室氣體排放、保護環(huán)境.大力發(fā)展風能已經(jīng)成為各國政府的重要選擇[1~6].
在風力發(fā)電中,當風力發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行時,要求風電頻率和電網(wǎng)頻率保持一致,即風電頻率保持恒定,因此風力發(fā)電系統(tǒng)分為恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)(CSCF 系統(tǒng))和變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)(VSCF 系統(tǒng)).恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)是指在風力發(fā)電過程中保持發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不變從而得到和電網(wǎng)頻率一致的恒頻電能.恒速恒頻系統(tǒng)一般來說比較簡單,所采用的發(fā)電機主要是同步發(fā)電機和鼠籠式感應發(fā)電機,前者運行于由電機極數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速,后者則以稍高于同步轉(zhuǎn)速的速度運行.變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)是指在風力發(fā)電過程中發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可以隨風速變化,而通過其他的控制方式來得到和電網(wǎng)頻率一致的恒頻電能.
1 恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)
目前,單機容量為600~750 kW 的風電機組多采用恒速運行方式,這種機組控制簡單,可靠性好,大多采用制造簡單,并網(wǎng)容易、勵磁功率可直接從電網(wǎng)中獲得的籠型異步發(fā)電機[7~9].
恒速風電機組主要有兩種類型:定槳距失速型和變槳距風力機.定槳距失速型風力機利用風輪葉片翼型的氣動失速特性來限制葉片吸收過大的風能,功率調(diào)節(jié)由風輪葉片來完成,對發(fā)電機的控制要求比較簡單.這種風力機的葉片結(jié)構(gòu)復雜,成型工藝難度較大.而變槳距風力機則是通過風輪葉片的變槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)控制風力機的輸出功率.由于采用的是籠型異步發(fā)電機,無論是定槳距還是變槳距風力發(fā)電機,并網(wǎng)后發(fā)電機磁場旋轉(zhuǎn)速度由電網(wǎng)頻率所固定,異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化范圍很小,轉(zhuǎn)差率一般為3%~5%,屬于恒速恒頻風力發(fā)電機.
1.1 定槳距失速控制
定槳距風力發(fā)電機組的主要特點是槳葉與輪轂固定連接,當風速變化時,槳葉的迎風角度固定不變.利用槳葉翼型本身的失速特性,在高于額定風速下,氣流的功角增大到失速條件,使槳葉的表面產(chǎn)生紊流,效率降低,達到限制功率的目的.采用這種方式的風力發(fā)電系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)簡單可靠,但為了產(chǎn)生失速效應,導致葉片重,結(jié)構(gòu)復雜,機組的整體效率較低,當風速達到一定值時必須停機.
1.2 變槳距調(diào)節(jié)方式
在目前應用較多的恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中,一般情況要維持風力機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定,這在風速處于正常范圍之中時可以通過電氣控制而保證,而在風速過大時,輸出功率繼續(xù)增大可能導致電氣系統(tǒng)和機械系統(tǒng)不能承受,因此需要限制輸出功率并保持輸出功率恒定.這時就要通過調(diào)節(jié)葉片的槳距,改變氣流對葉片攻角,從而改變風力發(fā)電機組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩.
由于變槳距調(diào)節(jié)型風機在低風速時,可使槳葉保持良好的攻角,比失速調(diào)節(jié)型風機有更好的能量輸出,因此比較適合于平均風速較低的地區(qū)安裝.變槳距調(diào)節(jié)的另外一個優(yōu)點是在風速超速時可以逐步調(diào)節(jié)槳距角,屏蔽部分風能,避免停機,增加風機發(fā)電量.對變槳距調(diào)節(jié)的一個要求是其對陣風的反應靈敏性.
1.3 主動失速調(diào)節(jié)
主動失速調(diào)節(jié)方式是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合,吸取了被動失速和變槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點.系統(tǒng)中槳葉設計采用失速特性,系統(tǒng)調(diào)節(jié)采用變槳距調(diào)節(jié),從而優(yōu)化了機組功率的輸出.系統(tǒng)遭受強風達到額定功率后,槳葉節(jié)距主動向失速方向調(diào)節(jié),將功率調(diào)整在額定值以下,限制機組最大功率輸出.隨著風速的不斷變化,槳葉僅需微調(diào)即可維持失速狀態(tài).另外調(diào)節(jié)槳葉還可實現(xiàn)氣動剎車.這種系統(tǒng)的優(yōu)點是既有失速特性,又可變槳距調(diào)節(jié),提高了機組的運行效率,減弱了機械剎車對傳動系統(tǒng)的沖擊.系統(tǒng)控制容易,輸出功率平穩(wěn),執(zhí)行機構(gòu)的功率相對較小[8~13].
恒速恒頻風力發(fā)電機的主要缺點有以下幾點:
1)風力機轉(zhuǎn)速不能隨風速而變,從而降低了對風能的利用率;
2)當風速突變時,巨大的風能變化將通過風力機傳遞給主軸、齒輪箱和發(fā)電機等部件,在這些部件上產(chǎn)生很大的機械應力;
3)并網(wǎng)時可能產(chǎn)生較大的電流沖擊.
目前的恒速機組,大部分使用異步發(fā)電機,在發(fā)出有功功率的同時,還需要消耗無功功率(通常安裝電容器給以補償).而現(xiàn)代變速風電機組卻能十分精確地控制功率因數(shù),甚至向電網(wǎng)輸送無功,改善系統(tǒng)的功率因數(shù).由于以上原因,變速風電機組越來越受到風電界的重視,特別是在進一步發(fā)展的大型機組中將更為引人注目.當然,決定變速機組設計是否成功的一個關鍵是變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)及其控制裝置的設計.
