風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

2 變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)

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利用變速恒頻發(fā)電方式,風(fēng)力機(jī)就可以改恒速運(yùn)行為變速運(yùn)行,這樣就可能使風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)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(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)在額定風(fēng)速以下的整個運(yùn)行范圍內(nèi)都處于最大值,從而可比恒速運(yùn)行獲取更多的能量.尤其是這種變速機(jī)組可適應(yīng)不同的風(fēng)速區(qū),大大拓寬了風(fēng)力發(fā)電的地域范圍.即使風(fēng)速躍升時,所產(chǎn)生的風(fēng)能也部分被風(fēng)輪吸收,以動能的形式儲存于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)輪中,從而避免了主軸及傳動機(jī)構(gòu)承受過大的扭矩及應(yīng)力,在電力電子裝置的調(diào)控下,將高速風(fēng)輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?送入電網(wǎng),從而使能量傳輸機(jī)構(gòu)所受應(yīng)力比較平穩(wěn),風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行更加平穩(wěn)和安全.

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

2.1 鼠籠式異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

采用的發(fā)電機(jī)為鼠籠式轉(zhuǎn)子,其變速恒頻控制策略是在定子電路實現(xiàn)的.由于風(fēng)速是不斷變化的,導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)以及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也是變化的,所以實際上鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電是頻率變化的,即為變頻的,通過定子繞組與電網(wǎng)之間的變頻器把變頻的電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能.盡管實現(xiàn)了變速恒頻控制,具有變速恒頻的一系列優(yōu)點(diǎn),但由于變頻器在定子側(cè),變頻器的容量需要與發(fā)電機(jī)的容量相同,使得整個系統(tǒng)的成本、體積和重量顯著增加,尤其對于大容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng).

2.2 雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常采用的發(fā)電機(jī)為轉(zhuǎn)子交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī),其結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)類似.由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)的,流過轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率,該轉(zhuǎn)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(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)的控制方案除了可實現(xiàn)變速恒頻控制,減少變頻器的容量外,還可實現(xiàn)對有功、無功功率的靈活控制,對電網(wǎng)而言可起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔?缺點(diǎn)是交流勵磁發(fā)電機(jī)仍然有滑環(huán)和電刷.

目前已經(jīng)商用的有齒輪箱的變速恒頻系統(tǒng),大部分采用繞線式異步電機(jī)作為發(fā)電機(jī),由于繞線式異步發(fā)電機(jī)有滑環(huán)和電刷,這種摩擦接觸式結(jié)構(gòu)在風(fēng)力發(fā)電惡劣的運(yùn)行環(huán)境中較易出現(xiàn)故障.而無刷雙饋電機(jī)定子有兩套級數(shù)不同繞組,轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu),無須滑環(huán)和電刷,可靠性高.這些優(yōu)點(diǎn)都使得無刷雙饋電機(jī)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn).但在目前,這種電機(jī)在設(shè)計和制造上仍然存在著一些難題.

2.3 直驅(qū)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

近幾年來,直接驅(qū)動技術(shù)在風(fēng)電領(lǐng)域得到了重視.這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用多極發(fā)電機(jī)與葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動,從而免去了齒輪箱這一傳統(tǒng)部件,由于其具有很多技術(shù)方面的優(yōu)點(diǎn),特別是采用永磁發(fā)電機(jī)技術(shù),其可靠性和效率更高,處于當(dāng)今國際上領(lǐng)先地位,在今后風(fēng)電機(jī)組發(fā)展中將有很大的發(fā)展空間.在德國2003 年上半年所安裝的風(fēng)力機(jī)中,就有40.9%采用了無齒輪箱系統(tǒng).直驅(qū)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)多采用永磁同步發(fā)電機(jī),其轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu),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(xiàn)的,把永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出變頻的交流電通過變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻的交流電,因此變頻器的容量與系統(tǒng)的額定容量相同.采用永磁發(fā)電機(jī)可做到風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接耦合,省去了齒輪箱,即為直接驅(qū)動式結(jié)構(gòu),這樣可大大減少系統(tǒng)運(yùn)行噪聲,提高了可靠性.盡管由于直接耦合,永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速很低,使發(fā)電機(jī)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(tǒng)的成本還是降低了.

另外,電勵磁式徑向磁場發(fā)電機(jī)也可視為一種直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選擇方案,在大功率發(fā)電機(jī)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(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yīng)用前景十分廣闊.

2.4 混合式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不僅需要低速、大轉(zhuǎn)矩電機(jī)而且需要全功率變流器,為了降低電機(jī)設(shè)計難度,帶有低變速比齒輪箱的混合型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)得到實際應(yīng)用.這種系統(tǒng)可以看成是全直驅(qū)傳動系統(tǒng)和傳統(tǒng)解決方案的一個折中.發(fā)電機(jī)是多極的,和直驅(qū)設(shè)計本質(zhì)上一樣,但它更緊湊,相對來說具有更高的速度和更小的轉(zhuǎn)矩.

2.5 其他

開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)和無刷爪極自勵發(fā)電機(jī)也可以用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中.其中,開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)為雙凸極電機(jī),定子、轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu),定子上設(shè)有集中繞組,轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體,故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、堅固,可靠性高.

無刷爪極自勵發(fā)電機(jī)與一般同步電機(jī)的區(qū)別僅在于它的勵磁系統(tǒng)部分.其定子鐵心及電樞繞組與一般同步電機(jī)基本相同.由于爪極發(fā)電機(jī)的磁路系統(tǒng)是一種并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu),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(fā)電機(jī)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.