風(fēng)力發(fā)電技術(shù)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(guān)注并尋求積極的對策.風(fēng)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(fēng)能總量在53 000 TW·h/年.風(fēng)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(hù)環(huán)境.大力發(fā)展風(fēng)能已經(jīng)成為各國政府的重要選擇[1~6].

在風(fēng)力發(fā)電中,當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時,要求風(fēng)電頻率和電網(wǎng)頻率保持一致,即風(fēng)電頻率保持恒定,因此風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分為恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)(CSCF 系統(tǒng))和變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)(VSCF 系統(tǒng)).恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是指在風(fēng)力發(fā)電過程中保持發(fā)電機(jī)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(jī)主要是同步發(fā)電機(jī)和鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī),前者運(yùn)行于由電機(jī)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(yùn)行.變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是指在風(fēng)力發(fā)電過程中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以隨風(fēng)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(jī)容量為600~750 kW 的風(fēng)電機(jī)組多采用恒速運(yùn)行方式,這種機(jī)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(jī)[7~9].

恒速風(fēng)電機(jī)組主要有兩種類型:定槳距失速型和變槳距風(fēng)力機(jī).定槳距失速型風(fēng)力機(jī)利用風(fēng)輪葉片翼型的氣動失速特性來限制葉片吸收過大的風(fēng)能,功率調(diào)節(jié)由風(fēng)輪葉片來完成,對發(fā)電機(jī)的控制要求比較簡單.這種風(fēng)力機(jī)的葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成型工藝難度較大.而變槳距風(fēng)力機(jī)則是通過風(fēng)輪葉片的變槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制風(fēng)力機(jī)的輸出功率.由于采用的是籠型異步發(fā)電機(jī),無論是定槳距還是變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī),并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)磁場旋轉(zhuǎn)速度由電網(wǎng)頻率所固定,異步發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī).

1.1 定槳距失速控制

定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要特點(diǎn)是槳葉與輪轂固定連接,當(dāng)風(fēng)速變化時,槳葉的迎風(fēng)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(fēng)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(dá)到限制功率的目的.采用這種方式的風(fēng)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(yīng),導(dǎo)致葉片重,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,機(jī)組的整體效率較低,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時必須停機(jī).

1.2 變槳距調(diào)節(jié)方式

在目前應(yīng)用較多的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,一般情況要維持風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定,這在風(fēng)速處于正常范圍之中時可以通過電氣控制而保證,而在風(fēng)速過大時,輸出功率繼續(xù)增大可能導(dǎo)致電氣系統(tǒng)和機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩.

由于變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)機(jī)在低風(fēng)速時,可使槳葉保持良好的攻角,比失速調(diào)節(jié)型風(fēng)機(jī)有更好的能量輸出,因此比較適合于平均風(fēng)速較低的地區(qū)安裝.變槳距調(diào)節(jié)的另外一個優(yōu)點(diǎn)是在風(fēng)速超速時可以逐步調(diào)節(jié)槳距角,屏蔽部分風(fēng)能,避免停機(jī),增加風(fēng)機(jī)發(fā)電量.對變槳距調(diào)節(jié)的一個要求是其對陣風(fēng)的反應(yīng)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(diǎn).系統(tǒng)中槳葉設(shè)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(jī)組功率的輸出.系統(tǒng)遭受強(qiáng)風(fēng)達(dá)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(jī)組最大功率輸出.隨著風(fēng)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(diǎn)是既有失速特性,又可變槳距調(diào)節(jié),提高了機(jī)組的運(yùn)行效率,減弱了機(jī)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(jī)構(gòu)的功率相對較小[8~13].

恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要缺點(diǎn)有以下幾點(diǎn):

1)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不能隨風(fēng)速而變,從而降低了對風(fēng)能的利用率;

2)當(dāng)風(fēng)速突變時,巨大的風(fēng)能變化將通過風(fēng)力機(jī)傳遞給主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件,在這些部件上產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力;

3)并網(wǎng)時可能產(chǎn)生較大的電流沖擊.

目前的恒速機(jī)組,大部分使用異步發(fā)電機(jī),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(bǔ)償).而現(xiàn)代變速風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組越來越受到風(fēng)電界的重視,特別是在進(jìn)一步發(fā)展的大型機(jī)組中將更為引人注目.當(dāng)然,決定變速機(jī)組設(shè)計是否成功的一個關(guān)鍵是變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)及其控制裝置的設(shè)計.