風力發電技術的現狀與發展趨勢
0 引言
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能源與環境問題已經成為全球可持續發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.據估計,全球可利用的風能總量在53 000 TW·h/年.風能的大規模開發利用,將會有效減少石化能源的使用、減少溫室氣體排放、保護環境.大力發展風能已經成為各國政府的重要選擇[1~6].
在風力發電中,當風力發電機與電網并聯運行時,要求風電頻率和電網頻率保持一致,即風電頻率保持恒定,因此風力發電系統分為恒速恒頻發電機系統(CSCF 系統)和變速恒頻發電機系統(VSCF 系統).恒速恒頻發電機系統是指在風力發電過程中保持發電機的轉速不變從而得到和電網頻率一致的恒頻電能.恒速恒頻系統一般來說比較簡單,所采用的發電機主要是同步發電機和鼠籠式感應發電機,前者運行于由電機極數和頻率所決定的同步轉速,后者則以稍高于同步轉速的速度運行.變速恒頻發電機系統是指在風力發電過程中發電機的轉速可以隨風速變化,而通過其他的控制方式來得到和電網頻率一致的恒頻電能.
1 恒速恒頻發電系統
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,并網容易、勵磁功率可直接從電網中獲得的籠型異步發電機[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,功率調節由風輪葉片來完成,對發電機的控制要求比較簡單.這種風力機的葉片結構復雜,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節機構控制風力機的輸出功率.由于采用的是籠型異步發電機,無論是定槳距還是變槳距風力發電機,并網后發電機磁場旋轉速度由電網頻率所固定,異步發電機轉子的轉速變化范圍很小,轉差率一般為3%~5%,屬于恒速恒頻風力發電機.
1.1 定槳距失速控制
定槳距風力發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電系統控制調節簡單可靠,但為了產生失速效應,導致葉片重,結構復雜,機組的整體效率較低,當風速達到一定值時必須停機.
1.2 變槳距調節方式
在目前應用較多的恒速恒頻風力發電系統中,一般情況要維持風力機轉速的穩定,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,輸出功率繼續增大可能導致電氣系統和機械系統不能承受,因此需要限制輸出功率并保持輸出功率恒定.這時就要通過調節葉片的槳距,改變氣流對葉片攻角,從而改變風力發電機組獲得的空氣動力轉矩.
由于變槳距調節型風機在低風速時,可使槳葉保持良好的攻角,比失速調節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安裝.變槳距調節的另外一個優點是在風速超速時可以逐步調節槳距角,屏蔽部分風能,避免停機,增加風機發電量.對變槳距調節的一個要求是其對陣風的反應靈敏性.
1.3 主動失速調節
主動失速調節方式是前兩種功率調節方式的組合,吸取了被動失速和變槳距調節的優點.系統中槳葉設計采用失速特性,系統調節采用變槳距調節,從而優化了機組功率的輸出.系統遭受強風達到額定功率后,槳葉節距主動向失速方向調節,將功率調整在額定值以下,限制機組最大功率輸出.隨著風速的不斷變化,槳葉僅需微調即可維持失速狀態.另外調節槳葉還可實現氣動剎車.這種系統的優點是既有失速特性,又可變槳距調節,提高了機組的運行效率,減弱了機械剎車對傳動系統的沖擊.系統控制容易,輸出功率平穩,執行機構的功率相對較小[8~13].
恒速恒頻風力發電機的主要缺點有以下幾點:
1)風力機轉速不能隨風速而變,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、齒輪箱和發電機等部件,在這些部件上產生很大的機械應力;
3)并網時可能產生較大的電流沖擊.
目前的恒速機組,大部分使用異步發電機,在發出有功功率的同時,還需要消耗無功功率(通常安裝電容器給以補償).而現代變速風電機組卻能十分精確地控制功率因數,甚至向電網輸送無功,改善系統的功率因數.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電系統及其控制裝置的設計.
