奧鵬遠程教育《新能源發(fā)電》XX

作為自然能源,風能是最清潔、環(huán)保、經(jīng)濟的能源之一，是太陽對地球外表不均衡加熱而引起的“空氣流動〞，流動空氣具有的動能稱之為風能。因此，風能是一種廣義的太陽能。據(jù)世界氣象組織〔WMO〕和中國氣象局氣象科學研究院分析，地球上可利用的風能資源為200億kW，是地球上可利用水能的20倍。中國陸地10m高度層可利用的風能為2.53億kW，海上可利用的風能是陸地上的3倍，50m高度層可利用的風能是10m高度層的2倍，風能資源非常豐富。風能是一種技術(shù)比擬成熟、很有開發(fā)利用前景的可再生能源之一。風能的利用方式不僅有風力發(fā)電、風力提水，而且還有風力致熱、風帆助航等。因此，開發(fā)利用風能對世界各國科技工作者具有極強的魅力，從而喚起了世界眾多的科學家致力于風能利用方面的研究。風力發(fā)電是一種技術(shù)最成熟的可再生能源利用方式，發(fā)電機是風力發(fā)電機組中將風能轉(zhuǎn)化為電能的重要裝置，控制技術(shù)是風力機平安高效運行的關(guān)鍵。1、風電的開展歷史、我國風電的研發(fā)利用狀況風能，人類最早使用的能源之一，遠在公元前2000年，埃及、波斯等國已出現(xiàn)帆船和風磨，中世紀荷蘭與美國已有用于排灌的水平軸風車。我國是世界上最早利用風能的國家之一，早在距今1800年前，我國就有風力提水的記載。1890年丹麥的P·拉庫爾研制成功了風力發(fā)電機，1908年丹麥已建成幾百個小型風力發(fā)電站。自二十世紀初至二十世紀六十年代末，一些國家對風能資源的開發(fā)，尚處于小規(guī)模的利用階段。 隨著大型水電、火電機組的采用和電力系統(tǒng)的開展，1970年以前研制的中、大型風力發(fā)電機組因造價高和可靠性差而逐漸被淘汰，到二十世紀六十年代末相繼都停止了運轉(zhuǎn)。這一階段的試驗研究說明，這些中、大型機組一般在技術(shù)上還是可行的，它為二十世紀七十年代后期的大開展奠定了根底。 1980年以來，國際上風力發(fā)電機技術(shù)日益走向商業(yè)化。主要機組容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW。1991年丹麥在Vindeby建成了世界上第一個海上風電場，由11臺丹麥Bonus450kW單機組成，總裝機4.95MW。隨后荷蘭、瑞典、英國相繼建成了自己的海上風電場。 目前，已經(jīng)備離岸風力發(fā)電設備商業(yè)生產(chǎn)能力的廠家，主要有丹麥的Vestas〔包括被其整合的NEG-Micon〕，美國的GE風能，德國的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon、Bonus和德國著名的Enercon公司。單機額定功率覆蓋范圍從2MW、2.3MW、3.6MW、4.2MW、4.5MW到5MW。葉輪直徑從80m、82.4m、100m、110m、114m、116m到126m。人類對于風能的開發(fā)利用也很早就開始了。但是，近代火力、水力發(fā)電機的廣泛應用和20世紀50年代中東油田的開展，使風力發(fā)電機的開展緩慢下來。在我國風力發(fā)電機組的研制工作開展較早，但是沒得到足夠的重視與支持，因而開展較慢。五十年代后期有過一個興旺時期，吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、江蘇、安徽和云南等省都研制過千瓦級以下的風車，但是沒有做好穩(wěn)固和開展成果的工作。七十年代后，隨著國民經(jīng)濟的較快開展出現(xiàn)了能源供給緊張、環(huán)境污染嚴重等現(xiàn)象，另外由于科技意識日漸深入人心，可再生無污染的風能利用受到了足夠的重視。在浙江、黑龍江、福建研制出了較大功率的機組；內(nèi)蒙古的有關(guān)單位研制的小型風力發(fā)電機已有批量生產(chǎn)，用于解決地處偏遠、居住分散的農(nóng)牧民住戶、蒙古包的生活用電和少量生產(chǎn)用電。八十年代以來，風力發(fā)電在我國得到了相應的開展。目前微型〔<1KW〕、小型〔1-10KW〕風力發(fā)電機的技術(shù)日漸成熟，已經(jīng)到達商品化程度。同時大型風力發(fā)電機組〔600KW〕也研制成功，并已投入了運行。此外，從國外引進了大型風力發(fā)電機組建設了20余個風電場。總裝機容量到達了近25MW。根據(jù)國家氣象科學院的估算，我國陸地地面10米高度層風能的理論可開發(fā)量為32億kW，實際可開發(fā)量為2.53億kW。海上風能可開發(fā)量是陸地風能儲量的3倍。從統(tǒng)計資料來看，在我國風能利用與風力發(fā)電技術(shù)雖然有了一定的進展，與國外先進國家相比擬仍然存在差距，尤其是在大型風力發(fā)電機組的開發(fā)與研制方面。2、對典型風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)評述2.1異步風力發(fā)電機一般采用籠型異步發(fā)電機，其定子由鐵芯和定子繞組構(gòu)成，轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片疊成。其轉(zhuǎn)子無需外加勵磁，沒有集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、價格廉價且并網(wǎng)容易。由于是定速恒頻機組，轉(zhuǎn)速根本不變，風力發(fā)電機組運行在最正確Cp下的概率較小，因而其發(fā)電能力比后述的兩種機型低。該類型機組運行時，從電力系統(tǒng)吸收無功功率，為滿足電網(wǎng)對風電場功率因數(shù)的要求，多在機端并聯(lián)補償電容器。由于風速隨氣候環(huán)境變化，驅(qū)動發(fā)電機的風力機不可能常運行在額定風速下，為充分利用低風速時的風能，增加全年的發(fā)電量，近年廣泛應用雙速異步發(fā)電機。其極對數(shù)可改變，運行方式有高轉(zhuǎn)速大容量和低轉(zhuǎn)速小容量兩種。2.2饋異步風力發(fā)電機雙饋異步風力發(fā)電機也稱作變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)〔如圖4〕，其風力機可變速運行，運行速度能在一個較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，使風力機的風能利用系數(shù)Cp得到優(yōu)化,獲得高的利用率，并實現(xiàn)發(fā)電機較平滑的電功率輸出。圖4雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)原理圖2.3直驅(qū)式交流永磁同步發(fā)電機交流永磁同步發(fā)電機的定子結(jié)構(gòu)與一般同步發(fā)電機相同，轉(zhuǎn)子采用永磁結(jié)構(gòu)，無勵磁繞組及滑環(huán)碳刷。發(fā)電機軸直接連到風力機軸上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風速變化。由于發(fā)電機為直接驅(qū)動結(jié)構(gòu)，省去了齒輪箱，系統(tǒng)運行噪聲低、可靠性高。直接耦合的永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)速很低，發(fā)電機極數(shù)多、體積大、制造本錢高。為克服這一弊端而開發(fā)的半直驅(qū)型機組，采用一級行星齒輪增速器集成多極中速發(fā)電機，風輪與發(fā)電機單元直接相連，其增速比約為高傳動比齒輪副的1/10，發(fā)電機極數(shù)較直驅(qū)型發(fā)電機少許多，體積也大幅縮小，重量明顯減輕。交流永磁同步發(fā)電機運行時，全部功率經(jīng)AC-DC-AC變換，故與雙饋異步發(fā)電機相比，其變流器容量要大得多。但全容量的變流器更容易維持低電壓運行，滿足電網(wǎng)對風電并網(wǎng)日益嚴格的要求。在大功率變流裝置技術(shù)和高性能永磁材料日益開展完善的背景下，大型風電機組越來越多地采用永磁同步發(fā)電機。3、風力發(fā)電控制技術(shù)3.1風力發(fā)電機組的構(gòu)成風力發(fā)電機組由風輪、機艙、塔架和根底構(gòu)成。風輪是風力機的核心部件。機艙由底盤、整流罩和機艙罩組成，底盤上安裝機組發(fā)電系統(tǒng)、變槳距系統(tǒng)及偏航系統(tǒng)等主要部件。機艙罩后上方裝有風速和風向傳感器，艙壁上有隔音及通風裝置等，底部與塔架連接。塔架支撐機艙到達所需高度，其上布置發(fā)電機和主控制器之間的動力電纜、控制電纜及通信電纜，塔架上還裝有供操作人員上下機艙的扶梯或電梯。根底采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中心預置與塔架連接的根底部件，根底周圍還設置了防雷擊的接地裝置。水平軸風力發(fā)電機組機艙構(gòu)成示意圖見圖1。圖1風力發(fā)電機組機艙構(gòu)成3.2風力發(fā)電機組的分類風力發(fā)電機組類型主要按容量和結(jié)構(gòu)即〔機型〕劃分。3.2.1按容量分容量在0.1~1kW為小型機組,1~100kW為中型機組,100~1000kW為大型機組,大于10000kW為特大型機組。3.2.2按風輪軸方向分水平軸風力機組：風輪圍繞水平軸旋轉(zhuǎn)。風輪在塔架前面迎風的稱為上風向風力機，在塔架后面迎風的稱為下風向風力機。上風向風力機需利用調(diào)向裝置來保持風輪迎風。垂直軸風力機組：風輪圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，可接收來自任何方向的風，故無需對風。垂直軸風力機又分為利用空氣動力的阻力作功和利用翼型的升力作功兩個主要類別。3.2.3按功率調(diào)節(jié)方式分定槳距機組：葉片固定安裝在輪轂上，角度不能改變，風力機的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動特性〔失速〕或偏航控制。變槳距〔正變距〕機組：須配備一套葉片變槳距機構(gòu)，通過改變翼型槳距角，使翼型升力發(fā)生變化從而調(diào)節(jié)輸出功率。主動失速〔負變距〕機組：當風力機到達額定功率后，相應地增加攻角，使葉片的失速效應加深，從而限制風能的捕獲。3.2.4按傳動形式分高傳動比齒輪箱型機組：風輪的轉(zhuǎn)速較低，必須通過齒輪箱、齒輪副的增速來滿足發(fā)電機轉(zhuǎn)速的要求。齒輪箱的主要功能是增速和動力傳遞。直接驅(qū)動型機組：應用了多極同步風力發(fā)電機，省去風力發(fā)電系統(tǒng)中常見的齒輪箱，風力機直接拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子在低速狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。中傳動比齒輪箱〔“半直驅(qū)〞〕型機組：采用一級行星齒輪副，其增速比約為高傳動比齒輪副的1/10，因而減少了多極同步風力發(fā)電機的極數(shù)和體積。3.2.5按轉(zhuǎn)速變化分定速機組：轉(zhuǎn)速恒定不變，不隨風速變化。多態(tài)定速機組：包含兩臺不同轉(zhuǎn)速和容量的發(fā)電機，可根據(jù)風速的變化，選投其中一臺運行。變速機組：發(fā)電機轉(zhuǎn)速隨風速變化。3.3風力機的氣動特性及結(jié)構(gòu)3.3.1氣動特性風輪葉片是風力機最重要的部件之一，其平面和剖面幾何形狀與風力機空氣動力特性密切相關(guān)。風輪葉片在空氣動力作用下主要產(chǎn)生兩種力：升力推動風力機旋轉(zhuǎn)進行有效工作，阻力形成對風輪葉片的正面壓力。風力機將風能轉(zhuǎn)換為機械能的效率用風能利用系數(shù)Cp表示，Cp是葉尖速比λ和槳距角β〔或攻角α〕的函數(shù)。葉尖速比λ是葉片的葉尖圓周速度與風速之比，槳距角β是葉片剖面的翼弦線與風輪旋轉(zhuǎn)面間的夾角，而攻角α是葉片剖面的翼弦線與合成氣流方向間的夾角。Cp與λ的典型關(guān)系如圖2所示?？梢钥闯?，風能利用系數(shù)Cp只有在葉尖速比為λm時最大。因此，在一定的風速下調(diào)節(jié)風力機轉(zhuǎn)速，使其運行在最正確葉尖速比λm條件下，即可捕獲最大風能。圖2一種典型的Cp與λ的關(guān)系曲線Cp與α的典型關(guān)系如圖3所示。可以看出，隨著α由零逐漸增大到接近αcr，Cp由某一數(shù)值開始逐漸增大，根本呈線性變化。當α=αcr時，Cp到達最大值Cpmax；當α＞αcr時，Cp隨α的增加而明顯下降，這一現(xiàn)象稱為失速。失速發(fā)生時，風力機的輸出功率顯著減小，噪聲常常會突然增加，并引起風力機振動和運行不穩(wěn)定等。圖3一種典型的Cp與α的關(guān)系曲線風力發(fā)電機組的風輪并不能提取風的所有功率。根據(jù)貝茲〔Betz〕理論，風力機能獲取的最大功率是風功率的59.3%。3.3.2結(jié)構(gòu)風力機的核心部件是風輪，風輪由葉片和輪轂組成。3.3.2.1葉片葉片具有空氣動力形狀，能接受風能，使風輪繞軸轉(zhuǎn)動。葉片呈螺旋槳狀，其上不同截面的槳距角隨其所處半徑的增大而逐漸減小。目前，水平軸風力機葉片一般為2片或3片。兩葉片風輪的制造本錢較低，但葉片幾何形狀及風輪旋轉(zhuǎn)速度相同時，兩葉片風輪對應最大風能利用系數(shù)的轉(zhuǎn)速比擬高、由脈動載荷引起的風輪軸向力變化也較大。三葉片風輪由于外形整體對稱，旋轉(zhuǎn)速度較低、噪聲相對較小，更易于為群眾接受，故目前三葉片風輪居多。3.3.2.2輪轂輪轂用于將葉片固定到轉(zhuǎn)軸上，并將風輪的力和力矩傳遞到主傳動機構(gòu)，同時控制葉片槳距角〔使葉片作俯仰轉(zhuǎn)動〕。輪轂有固定式和鉸鏈式兩種。固定式輪轂為鑄造或焊接結(jié)構(gòu)件，鑄造采用鑄鋼或球墨鑄鐵材料。目前，三葉片風輪普遍采用這種剛性輪轂。鉸鏈式輪轂常用于單葉片和兩葉片風輪，又分為葉片之間相對固定和各葉片自由兩種類型。前者兩葉片之間固定連接，軸向相對位置不變；后者每個葉片互不依賴，在外力作用下，葉片可單獨作調(diào)整運動。鉸鏈式輪轂具有活動部件，相對于固定式輪轂來說，制造本錢高、可靠性較低、維護費用高，但其所承受的力和力矩較小。風電技術(shù)的應用和開展前景風力發(fā)電技術(shù)單機容量增大，世界上最大風電機組的單機容量到達了6MW，葉輪直徑127m，8～l0MW的風電機組也已在設計開發(fā)中。由于風電機組設備的大型化尚未出現(xiàn)技術(shù)限制，其單機容量將繼續(xù)增大。傳動系統(tǒng)設計不斷創(chuàng)新。從中長期看，直驅(qū)式和半直驅(qū)式傳動系統(tǒng)在特大型風力機中所占比例將日趨提高。傳動系統(tǒng)采用集成化設計和緊湊型結(jié)構(gòu)是未來特大型風力機的開展趨勢。葉片技術(shù)不斷改良。對于2MW以下風力機，通常采用增加塔筒高度和葉片長度來提高發(fā)電量，但對于更大容量的風電機組，這兩項措施可能會大幅增加運輸和吊裝的難度及本錢。為此，開發(fā)高效葉片越來越受到重視。另外，特大型風力機葉片長，運輸困難，分段式葉片是個很好的解決方案，而解決兩段葉片接合處的剛性斷裂問題那么成為技術(shù)關(guān)鍵。變速變槳距風電機組占主導地位。變槳距功率調(diào)節(jié)方式具有系統(tǒng)柔性好、調(diào)節(jié)平穩(wěn)、發(fā)電量大的優(yōu)點，這種調(diào)節(jié)方式將逐漸取代失速功率調(diào)節(jié)方式。變速恒頻方式通過控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，能使風力機的葉尖速比接近最正確值，從而最大限度地利用風能，提高發(fā)電量，已逐漸取代恒速恒頻調(diào)節(jié)方式。開發(fā)新型風力發(fā)電機。無刷交流雙饋異步發(fā)電機除了具有交流雙饋異步發(fā)電機的優(yōu)點外，還因省去電刷和滑環(huán)而具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、根本上免維護的優(yōu)點。高壓同步發(fā)電機的特點是輸出電壓高達10～40kV，因而可省去變壓器而直接與電網(wǎng)連接，并采用高壓直流輸電；其轉(zhuǎn)子采用多極永磁勵磁，可直接與風力機軸相聯(lián)，省去了齒輪箱。開發(fā)建設海上風力發(fā)電工程。海上風電場成為新的大型風電機組的應用領(lǐng)