風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行與控制

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行與控制

風(fēng)是可再生的資源。從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，選擇風(fēng)發(fā)電可以緩解傳統(tǒng)能源（如煤炭、石油、天然氣等）的匱乏趨勢。同時，風(fēng)發(fā)電具有明顯的環(huán)境效應(yīng)。在發(fā)電過程中，不排放有害氣體和水資源，但風(fēng)是一種過程能源。它不是其他傳統(tǒng)能源那樣直接儲存的。只有將其轉(zhuǎn)化為其他形式的能源才能保存。風(fēng)機(jī)變化很大，波動很大，對發(fā)電帶來了許多不利因素。盡管如此,目前風(fēng)力發(fā)電不僅是風(fēng)能利用的主流形式,又是在新能源利用中成本較低,技術(shù)較成熟的發(fā)電形式,風(fēng)力發(fā)電在未來的能源結(jié)構(gòu)中將占有越來越重要的地位。風(fēng)力發(fā)電的基本特征1.風(fēng)機(jī)葉片的不可控性風(fēng)能是太陽能的變異,風(fēng)速隨大氣的溫度、氣壓等因素的不同有著較大的變化,是隨機(jī)和不可控的,這樣作用在風(fēng)機(jī)葉片上的風(fēng)能也是隨機(jī)和不可控的,進(jìn)而發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率也存在一定的不可控性。2.風(fēng)能密度低由于空氣的密度低,要獲得比較大的功率,風(fēng)輪的直徑要做得很大,風(fēng)輪裝置龐大。3.風(fēng)輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性很由于風(fēng)輪直徑大,巨大的風(fēng)輪轉(zhuǎn)子葉片使得風(fēng)輪機(jī)具有較大的轉(zhuǎn)動慣量。4.發(fā)電機(jī)和風(fēng)輪機(jī)之間互聯(lián)互通是受封建發(fā)電機(jī)與風(fēng)輪機(jī)之間風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一般不會很高,與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度相差比較大,它們之間不可能直接連接,必須通過一定變比升速齒輪箱進(jìn)行傳動,這樣發(fā)電機(jī)和風(fēng)輪機(jī)之間的剛性度大大降低,也就是說發(fā)電機(jī)和風(fēng)輪機(jī)之間是柔性連接的。5.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型目前國內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用異步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)的方式,風(fēng)速的變化將引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)注入電網(wǎng)有功和無功功率的變化,從而引起附近電網(wǎng)母線電壓的波動,為了克服這一缺點且隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,風(fēng)電系統(tǒng)可以采用交流勵磁發(fā)電機(jī),使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有較好的動態(tài)和靜態(tài)特性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、控制裝置、檢測顯示裝置等組成,風(fēng)力發(fā)電機(jī)由風(fēng)輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組成,實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。風(fēng)輪機(jī)的運行方式有獨立運行、并網(wǎng)運行和聯(lián)合運行方式。從對風(fēng)輪機(jī)輸出功率的控制方式上看,目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要采取兩種方式:一種是定距失速控制,另一種是變槳距控制。目前國內(nèi)外盛行的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)主要有如下幾種:1.失速條件下的渦流優(yōu)化它的基本原理是利用槳葉翼型本身的失速特性,即風(fēng)速高于額定風(fēng)速時,氣流的功角增大到失速條件,使槳葉表面產(chǎn)生渦流,降低效率,從而達(dá)到限制功率的目的;其優(yōu)點是調(diào)節(jié)可靠,控制簡單,缺點是槳葉等主部件受力大,輸出功率隨風(fēng)速的變化而變化,這種技術(shù)主要應(yīng)用在幾百千瓦的中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上。2.風(fēng)能吸收特性變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)是通過調(diào)節(jié)變距調(diào)節(jié)器,使風(fēng)輪機(jī)葉片的安裝角隨風(fēng)速的變化而變化,以達(dá)到控制風(fēng)能吸收的目的;在額定風(fēng)速以下時,它等同于定槳距風(fēng)電機(jī),當(dāng)在額定風(fēng)速以上時,變槳距機(jī)構(gòu)發(fā)生作用,調(diào)節(jié)葉片功角,保證發(fā)電機(jī)的輸出功率在允許的范圍之內(nèi),變槳距風(fēng)力機(jī)的起動風(fēng)速較定槳距風(fēng)力機(jī)低,停機(jī)時傳動機(jī)械的沖擊應(yīng)力相對緩和。3.調(diào)節(jié)型變槳距調(diào)節(jié)型這種技術(shù)是上面兩種技術(shù)的結(jié)合,它的主要特點是:槳葉采用定槳距失調(diào)節(jié)型,調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調(diào)節(jié)型。輸出功率在額定功率以下時,調(diào)節(jié)方式與變槳距調(diào)節(jié)方式相同,輸出功率在額定功率以上時,調(diào)節(jié)方式與定槳距調(diào)節(jié)方式相同。它的主要優(yōu)點是輸出功率變動小且比較平穩(wěn)。4.在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中,本技術(shù)發(fā)展得更多,在國外風(fēng)電從理論上講,該技術(shù)是目前最好的調(diào)節(jié)方式,它能使輸出功率在低于額定功率時效率達(dá)到最高,但在輸出功率大于額定功率時,它的調(diào)節(jié)方式和變槳距調(diào)節(jié)方式相同,這種技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)40年代,但當(dāng)時受控制技術(shù)及電力電子器件水平的限制沒能夠得到很好的發(fā)展,到了20世紀(jì)80年代,原蘇聯(lián)和日本已經(jīng)有該技術(shù)的發(fā)電機(jī)投入運行,目前由于該技術(shù)的相關(guān)設(shè)備昂貴,很少被采用,只有在德國大量應(yīng)用。應(yīng)該說定槳距失速控制風(fēng)機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、部件少、造價低,并且有較高的安全系數(shù),有利于市場競爭,但由于隨著功率的增長,葉片加長,所承受的氣動推力增大,葉片的失速動態(tài)特性不易控制,使得制造更大機(jī)組受到限制;變槳距型風(fēng)機(jī)能夠使葉片的安裝角隨風(fēng)速的變化而變化,從而使風(fēng)機(jī)在各種工況下按最佳參數(shù)運行,在額定風(fēng)速時有較高的發(fā)電效率,而在額定風(fēng)速以上的區(qū)間運行時不超載,不需要有過載能力大的發(fā)電機(jī),但它的缺點是需要有一套比較復(fù)雜的變槳調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu);主動定槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)機(jī)技術(shù)吸收了前面兩種技術(shù)的一些優(yōu)點,但相比較之下,變速恒頻風(fēng)電機(jī)技術(shù)是最好的調(diào)節(jié)方式。高效風(fēng)速發(fā)電技術(shù)因為變速恒頻風(fēng)電機(jī)技術(shù)是目前國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的最優(yōu)方式,因此,國內(nèi)外的許多風(fēng)力發(fā)電專家和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)提出了多種的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電方案,比較有代表性的有以下幾種:1.交流發(fā)電機(jī)之間改變了發(fā)電機(jī)的發(fā)電頻率所采用的發(fā)電機(jī)是籠型轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī),它的變速恒頻策略是在轉(zhuǎn)子回路中實現(xiàn)的,由于風(fēng)速不斷變化帶動風(fēng)輪機(jī)及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化,所以發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能頻率也是變化的,通過連接在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間的變頻器把發(fā)電機(jī)的發(fā)出電能轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能,并輸入到電網(wǎng)中,這種方法雖然實現(xiàn)了變速恒頻控制,具有變速恒頻控制的優(yōu)點,但由于要在發(fā)電機(jī)的定子側(cè)裝設(shè)變頻器,且變頻器的容量要與發(fā)電機(jī)容量相同,使得整個系統(tǒng)的體積和成本增大,大容量風(fēng)機(jī)采用此方法很難實現(xiàn);還有由于是采用異步發(fā)電機(jī),它需要從電網(wǎng)中吸收滯后的無功功率,需要加設(shè)額外的無功補(bǔ)償裝置,同時它的電壓和功率因數(shù)控制也比較困難。2.低頻單電壓系統(tǒng)采用的發(fā)電機(jī)為磁場調(diào)制型發(fā)電機(jī),磁場調(diào)制型變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由一臺專門設(shè)計的三相的高頻交流發(fā)電機(jī)和一套功率轉(zhuǎn)換電路組成,發(fā)電機(jī)本身具有較高的旋轉(zhuǎn)頻率f1,用頻率為f2的低頻(一般為工頻)交流電勵磁,則三相電樞繞組的輸出電壓將是由頻率為f1+f2和f1-f2的兩個分量組成的調(diào)幅波。通過并聯(lián)橋式整流器整流,然后通過晶閘管開關(guān)電路,將波形的一半反相,最后經(jīng)過濾波器濾波,即可以得到與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速f1無關(guān),頻率為f2的恒頻正弦波輸出,這種技術(shù)實質(zhì)上是利用一臺三相高頻交流發(fā)電機(jī),通過磁場調(diào)制和解調(diào)技術(shù)來產(chǎn)生一個所需要的低頻單電壓輸出。可以看出磁場調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)輸出電壓的頻率和相位僅取決于勵磁電流的頻率和相位,而與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān),這個特點非常適合用于并網(wǎng)運行,風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵磁電壓通過勵磁變壓器取自電網(wǎng),這樣風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出總是與電網(wǎng)同步,不會存在失步的問題;它的缺點是磁場調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)用的高頻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高,而風(fēng)速一般比較低,系統(tǒng)需要速比較大的增速器。3.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子恒頻輸出它采用的發(fā)電機(jī)為轉(zhuǎn)子交流勵磁發(fā)電機(jī),其結(jié)構(gòu)和繞組式異步發(fā)電機(jī)類似,但在轉(zhuǎn)子上有3個或4個的滑環(huán),饋電方式和雙饋電機(jī)或異步電動機(jī)超同步串級調(diào)速系統(tǒng)相似,即定子繞組接電網(wǎng),轉(zhuǎn)子繞組則由一套交流-交流或交流-直流-交流的變頻器提供頻率、相位、幅值都可以調(diào)節(jié)的電源,實現(xiàn)恒頻輸出;為了得到恒頻輸出,先由變頻器提供的低頻勵磁電流在轉(zhuǎn)子中形成一個旋轉(zhuǎn)磁場,這個磁場的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速相加等于定子磁場的同步轉(zhuǎn)速,從而在定子繞組中感應(yīng)出工頻電壓,當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化時,改變轉(zhuǎn)子繞組中勵磁電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速,可以保持定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速恒定,達(dá)到變速恒頻的目的。還可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流的幅值和相位實現(xiàn)發(fā)電機(jī)的有功、無功功率的獨立調(diào)節(jié),由于變頻器只需要供給轉(zhuǎn)差功率,容量不需要很大,大大減少了變頻器的容量,變頻器的成本及控制難度大大降低。它的缺點是交流勵磁發(fā)電機(jī)需要滑環(huán)和電刷。目前這種風(fēng)力發(fā)電技術(shù)正越來越得到風(fēng)力發(fā)電工作者的注意,發(fā)展前景樂觀。4.恒壓恒頻電阻該技術(shù)采用速度負(fù)反饋通過電磁轉(zhuǎn)差離合器使得同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變,從而輸出恒壓恒頻的交流電。它的優(yōu)點是控制線路簡單,發(fā)電輸出的電壓波形好;缺點是效率低,有相當(dāng)一部分的能量消耗在轉(zhuǎn)差離合器磁極的發(fā)熱上。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和發(fā)電容量的提高,這類系統(tǒng)已經(jīng)沒有什么優(yōu)勢了。5.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子控制恒頻控制采用的發(fā)電機(jī)是無刷雙饋發(fā)電機(jī),其定子有兩套繞組,一個稱為功率繞組,直接接電網(wǎng);另一個繞組稱為控制繞組。通過雙向變頻器接電網(wǎng),它的轉(zhuǎn)子為籠型或磁阻式結(jié)構(gòu),無需電刷和滑環(huán),轉(zhuǎn)子的極數(shù)應(yīng)為定子兩個繞組極對數(shù)之和。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和風(fēng)機(jī)相連,發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組和定子控制繞組直接相連,變頻器產(chǎn)生定子控制繞組的電壓,當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化時,可以通過變頻器改變控制繞組中電流的頻率,從而使得發(fā)電機(jī)的輸出電壓頻率保持不變。這種方法的恒頻控制方案是在定子繞組中實現(xiàn)的,流過定子控制繞組的功率僅僅是發(fā)電機(jī)總功率中的一小部分,能夠有效地降低變頻器的容量,同時還可以靈活控制發(fā)電機(jī)的有功和無功功率,發(fā)電機(jī)沒有電刷和滑環(huán)降低了電機(jī)的成本,提高了運行的可靠性;這種方式的缺點是需要定子兩套繞組。6.交流交流電源是利用這種發(fā)電系統(tǒng)和籠型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類似,不同的只是所采用的發(fā)電機(jī)為永磁式發(fā)電機(jī),轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu),不需要外邊提供勵磁電源,提高了效率。它的變頻恒速控制是在定子回路中實現(xiàn)的,因此用的變頻器容量與系統(tǒng)的額定容量相同。該方案的優(yōu)點是:由于采用了永磁發(fā)電機(jī),因此可以做到風(fēng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接耦合,省去了齒輪箱,減少了系統(tǒng)的噪聲,提高了可靠性,主要缺點是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速低,使得整個系統(tǒng)的體積比較大。進(jìn)一步加強(qiáng)和推進(jìn)復(fù)雜經(jīng)濟(jì)帶的運行現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢是向高科技和高難度以及高水平方向發(fā)展,為的是盡最大限度地挖掘風(fēng)力資源,積極推進(jìn)風(fēng)力發(fā)電,主要包括以下幾個方面:1)風(fēng)電場選址由強(qiáng)風(fēng)地帶向弱風(fēng)地帶轉(zhuǎn)移,以擴(kuò)大可用風(fēng)源。2)風(fēng)電場選址由陸地向沿海地區(qū)和島嶼轉(zhuǎn)移。3)風(fēng)