风力发电机技术的现状与发展趋势

风力发电技术的现状与发展趋势0引言能源与环境问题已经成为全球可持续发展所面临的主要问题,日益引起国际社会的广泛关注并寻求积极的对策.风能是一种可再生、无污染的绿色能源,是取之不尽、用之不竭的,而且储量十分丰富.据估计,全球可利用的风能总量在53000TW·h/年.风能的大规模开发利用,将会有效减少石化能源的使用、减少温室气体排放、保护环境.大力发展风能已经成为各国政府的重要选择[1~6].在风力发电中,当风力发电机与电网并联运行时,要求风电频率和电网频率保持一致,即风电频率保持恒定,因此风力发电系统分为恒速恒频发电机系统(CSCF系统)和变速恒频发电机系统(VSCF系统).恒速恒频发电机系统是指在风力发电过程中保持发电机的转速不变从而得到和电网频率一致的恒频电能.恒速恒频系统一般来说比较简单,所采用的发电机主要是同步发电机和鼠笼式感应发电机,前者运行于由电机极数和频率所决定的同步转速,后者则以稍高于同步转速的速度运行.变速恒频发电机系统是指在风力发电过程中发电机的转速可以随风速变化,而通过其他的控制方式来得到和电网频率一致的恒频电能.1恒速恒频发电系统目前,单机容量为600~750kW的风电机组多采用恒速运行方式,这种机组控制简单,可靠性好,大多采用制造简单,并网容易、励磁功率可直接从电网中获得的笼型异步发电机[7~9].恒速风电机组主要有两种类型:定桨距失速型和变桨距风力机.定桨距失速型风力机利用风轮叶片翼型的气动失速特性来限制叶片吸收过大的风能,功率调节由风轮叶片来完成,对发电机的控制要求比较简单.这种风力机的叶片结构复杂,成型工艺难度较大.而变桨距风力机则是通过风轮叶片的变桨距调节机构控制风力机的输出功率.由于采用的是笼型异步发电机,无论是定桨距还是变桨距风力发电机,并网后发电机磁场旋转速度由电网频率所固定,异步发电机转子的转速变化范围很小,转差率一般为3%~5%,属于恒速恒频风力发电机.1.1定桨距失速控制定桨距风力发电机组的主要特点是桨叶与轮毂固定连接,当风速变化时,桨叶的迎风角度固定不变.利用桨叶翼型本身的失速特性,在高于额定风速下,气流的功角增大到失速条件,使桨叶的表面产生紊流,效率降低,达到限制功率的目的.采用这种方式的风力发电系统控制调节简单可靠,但为了产生失速效应,导致叶片重,结构复杂,机组的整体效率较低,当风速达到一定值时必须停机.1.2变桨距调节方式在目前应用较多的恒速恒频风力发电系统中,一般情况要维持风力机转速的稳定,这在风速处于正常范围之中时可以通过电气控制而保证,而在风速过大时,输出功率继续增大可能导致电气系统和机械系统不能承受,因此需要限制输出功率并保持输出功率恒定.这时就要通过调节叶片的桨距,改变气流对叶片攻角,从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩.由于变桨距调节型风机在低风速时,可使桨叶保持良好的攻角,比失速调节型风机有更好的能量输出,因此比较适合于平均风速较低的地区安装.变桨距调节的另外一个优点是在风速超速时可以逐步调节桨距角,屏蔽部分风能,避免停机,增加风机发电量.对变桨距调节的一个要求是其对阵风的反应灵敏性.1.3主动失速调节主动失速调节方式是前两种功率调节方式的组合,吸取了被动失速和变桨距调节的优点.系统中桨叶设计采用失速特性,系统调节采用变桨距调节,从而优化了机组功率的输出.系统遭受强风达到额定功率后,桨叶节距主动向失速方向调节,将功率调整在额定值以下,限制机组最大功率输出.随着风速的不断变化,桨叶仅需微调即可维持失速状态.另外调节桨叶还可实现气动刹车.这种系统的优点是既有失速特性,又可变桨距调节,提高了机组的运行效率,减弱了机械刹车对传动系统的冲击.系统控制容易,输出功率平稳,执行机构的功率相对较小[8~13].恒速恒频风力发电机的主要缺点有以下几点:1)风力机转速不能随风速而变,从而降低了对风能的利用率;2)当风速突变时,巨大的风能变化将通过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件,在这些部件上产生很大的机械应力;3)并网时可能产生较大的电流冲击.目前的恒速机组,大部分使用异步发电机,在发出有功功率的同时,还需要消耗无功功率(通常安装电容器给以补偿).而现代变速风电机组却能十分精确地控制功率因数,甚至向电网输送无功,改善系统的功率因数.由于以上原因,变速风电机组越来越受到风电界的重视,特别是在进一步发展的大型机组中将更为引人注目.当然,决定变速机组设计是否成功的一个关键是变速恒频发电系统及其控制装置的设计.风力发电技术的现状与发展趋势2变速恒频发电系统利用变速恒频发电方式,风力机就可以改恒速运行为变速运行,这样就可能使风轮的转速随风速的变化而变化,使其保持在一个恒定的最佳叶尖速比,使风力机的风能利用系数在额定风速以下的整个运行范围内都处于最大值,从而可比恒速运行获取更多的能量.尤其是这种变速机组可适应不同的风速区,大大拓宽了风力发电的地域范围.即使风速跃升时,所产生的风能也部分被风轮吸收,以动能的形式储存于高速运转的风轮中,从而避免了主轴及传动机构承受过大的扭矩及应力,在电力电子装置的调控下,将高速风轮所释放的能量转变为电能,送入电网,从而使能量传输机构所受应力比较平稳,风力机组运行更加平稳和安全.风力发电机变速恒频控制方案一般有四种:鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统;交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统;无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统;永磁发电机变速恒频风力发电系统[14~15].2.1鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统采用的发电机为鼠笼式转子,其变速恒频控制策略是在定子电路实现的.由于风速是不断变化的,导致风力机以及发电机的转速也是变化的,所以实际上鼠笼式风力发电机发出的电是频率变化的,即为变频的,通过定子绕组与电网之间的变频器把变频的电能转化为与电网频率相同的恒频电能.尽管实现了变速恒频控制,具有变速恒频的一系列优点,但由于变频器在定子侧,变频器的容量需要与发电机的容量相同,使得整个系统的成本、体积和重量显著增加,尤其对于大容量的风力发电系统.2.2双馈式变速恒频风力发电系统双馈式变速恒频风力发电系统常采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机,其结构与绕线式异步电机类似.由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的,流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率,该转差功率仅为定子额定功率的一小部分,故所需的双向变频器的容量仅为发电机容量的一小部分,这样该变频器的成本以及控制难度大大降低.这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制,减少变频器的容量外,还可实现对有功、无功功率的灵活控制,对电网而言可起到无功补偿的作用.缺点是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷.目前已经商用的有齿轮箱的变速恒频系统,大部分采用绕线式异步电机作为发电机,由于绕线式异步发电机有滑环和电刷,这种摩擦接触式结构在风力发电恶劣的运行环境中较易出现故障.而无刷双馈电机定子有两套级数不同绕组,转子为笼型结构,无须滑环和电刷,可靠性高.这些优点都使得无刷双馈电机成为当前研究的热点.但在目前,这种电机在设计和制造上仍然存在着一些难题.2.3直驱型变速恒频风力发电系统近几年来,直接驱动技术在风电领域得到了重视.这种风力发电机组采用多极发电机与叶轮直接连接进行驱动,从而免去了齿轮箱这一传统部件,由于其具有很多技术方面的优点,特别是采用永磁发电机技术,其可靠性和效率更高,处于当今国际上领先地位,在今后风电机组发展中将有很大的发展空间.在德国2003年上半年所安装的风力机中,就有40.9%采用了无齿轮箱系统.直驱型变速恒频风力发电系统的发电机多采用永磁同步发电机,其转子为永磁式结构,无须外部提供励磁电源,提高了效率.其变速恒频控制也是在定子电路实现的,把永磁发电机发出变频的交流电通过变频器转变为与电网同频的交流电,因此变频器的容量与系统的额定容量相同.采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合,省去了齿轮箱,即为直接驱动式结构,这样可大大减少系统运行噪声,提高了可靠性.尽管由于直接耦合,永磁发电机的转速很低,使发电机体积很大,成本较高,但由于省去了价格更高的齿轮箱,所以,整个系统的成本还是降低了.另外,电励磁式径向磁场发电机也可视为一种直驱风力发电机的选择方案,在大功率发电机组中,它的直径大而轴向长度小.为了能放置励磁绕组和极靴,极距必须足够大,它输出的交流电频率通常低于50Hz,必须配备整流逆变器.直驱式永磁风力发电机的效率高、极距小,况且永磁材料的性价比正得到不断提升,应用前景十分广阔.2.4混合式变速恒频风力发电系统直驱式风力发电系统不仅需要低速、大转矩电机而且需要全功率变流器,为了降低电机设计难度,带有低变速比齿轮箱的混合型变速恒频风力发电系统得到实际应用.这种系统可以看成是全直驱传动系统和传统解决方案的一个折中.发电机是多极的,和直驱设计本质上一样,但它更紧凑,相对来说具有更高的速度和更小的转矩.2.5其他开关磁阻发电机和无刷爪极自励发电机也可以用在风力发电系统中.其中,开关磁阻发电机为双凸极电机,定子、转子均为凸极齿槽结构,定子上设有集中绕组,转子上既无绕组也无永磁体,故机械结构简单、坚固,可靠性高.无刷爪极自励发电机与一般同步电机的区别仅在于它的励磁系统部分.其定子铁心及电枢绕组与一般同步电机基本相同.由于爪极发电机的磁路系统是一种并联磁路结构,所有各对极的磁势均来自一套共同的励磁绕组,因此与一般同步发电机相比,励磁绕组所用的材料较省,所需的励磁功率也较小.几种变速恒频控制方案的对比如表1所列.风力发电技术的现状与发展趋势3离网型风力发电机系统通常离网型风力发电机组容量较小,均属小型发电机组.可按照发电容量的大小进行分类,其大小从几百W至几十kW不等.自20世纪80年代初开始,中国的小型风力机制造业,在政府的支持下,尤其是内蒙古自治区政府的大力扶植,得到了引人瞩目的发展,十几万台小型风力发电机的生产和推广应用,为远离电网的农牧民解决了基本的生活用电,尤其是照明和收听广播电视,作出了不可磨灭的贡献.据统计,在20世纪80年代初期,国内有近百家小型风力发电机制造企业.随着改革开放的不断深化以及社会经济的发展,这些小型风力发电机制造企业经过内部的调整和外部的整合,根据中国农村能源行业协会小型电源专委会的统计,到目前为止,全国有23家小型风力发电机生产企业,2005年共生产小型风力发电机32433台,装机容量为12020kW,产值8472万元,利税为993万元.国内生产的小型风力发电机,单机容量从60W到30kW不等.小型风力发电机按照发电类型的不同进行分类,可分为直流发电机型、交流发电机型.较早时期的小容量风力发电机组一般采用小型直流发电机,在结构上有永磁式及电励磁式两种类型.永磁式直流发电机利用永磁铁提供发电机所需的励磁磁通;电励磁式直流发电机则是借助在励磁线圈内流过的电流产生磁通来提供发电机所需要的励磁磁通,由于励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同,又可分为他励与并励(或自励)两种形式.随着小型风力发电机组的发展,发电机类型逐渐由直流发电机转变为交流发电机.主要包括永磁发电机、硅整流自励交流发电机及电容自励异步发电机.其中,永磁发电机在结构上转子无励磁绕组,不存在励磁绕组损耗,效率高于同容量的励磁式发电机;转子没有滑环,运转时更安全可靠;电机重量轻,体积小,工艺简便,因此在离网型风力发电机中被广泛应用,但其缺点是电压调节性能差.硅整流自励交流发电机是通过与滑环接触的电刷与硅整流器的直流输出端相连,从而获得直流励磁电流.但是由于风力的随机波动会导致发电机转速的变化,从而引起发电机出口电压的波动,这将导致硅整流器输出直流电压及发电机励磁电流的变化,并造成励磁磁场的变化,这样又会造成发电机出口电压的波动.因此,为抑制这种连锁的电压波动,稳定输出,保护用电设备及蓄电池,该类型的发电机需要配备相应的励磁调节器.电容自励异步发电机是根据异步发电机在并网运行时,电网供给的励磁电流对异步感应电机的感应电动势而言是容性电流的特性而设计的.即在风力驱动的异步发电机独立运行