奧鵬遠(yuǎn)程教育《新能源發(fā)電》XX

作為自然能源,風(fēng)能是最清潔、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的能源之一，是太陽對(duì)地球外表不均衡加熱而引起的“空氣流動(dòng)〞，流動(dòng)空氣具有的動(dòng)能稱之為風(fēng)能。因此，風(fēng)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(xué)研究院分析，地球上可利用的風(fēng)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(fēng)能為2.53億kW，海上可利用的風(fēng)能是陸地上的3倍，50m高度層可利用的風(fēng)能是10m高度層的2倍，風(fēng)能資源非常豐富。風(fēng)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(fēng)能的利用方式不僅有風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)力提水，而且還有風(fēng)力致熱、風(fēng)帆助航等。因此，開發(fā)利用風(fēng)能對(duì)世界各國科技工作者具有極強(qiáng)的魅力，從而喚起了世界眾多的科學(xué)家致力于風(fēng)能利用方面的研究。風(fēng)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(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的重要裝置，控制技術(shù)是風(fēng)力機(jī)平安高效運(yùn)行的關(guān)鍵。1、風(fēng)電的開展歷史、我國風(fēng)電的研發(fā)利用狀況風(fēng)能，人類最早使用的能源之一，遠(yuǎn)在公元前2000年，埃及、波斯等國已出現(xiàn)帆船和風(fēng)磨，中世紀(jì)荷蘭與美國已有用于排灌的水平軸風(fēng)車。我國是世界上最早利用風(fēng)能的國家之一，早在距今1800年前，我國就有風(fēng)力提水的記載。1890年丹麥的P·拉庫爾研制成功了風(fēng)力發(fā)電機(jī)，1908年丹麥已建成幾百個(gè)小型風(fēng)力發(fā)電站。自二十世紀(jì)初至二十世紀(jì)六十年代末，一些國家對(duì)風(fēng)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(jī)組的采用和電力系統(tǒng)的開展，1970年以前研制的中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因造價(jià)高和可靠性差而逐漸被淘汰，到二十世紀(jì)六十年代末相繼都停止了運(yùn)轉(zhuǎn)。這一階段的試驗(yàn)研究說明，這些中、大型機(jī)組一般在技術(shù)上還是可行的，它為二十世紀(jì)七十年代后期的大開展奠定了根底。 1980年以來，國際上風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)日益走向商業(yè)化。主要機(jī)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(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)，由11臺(tái)丹麥Bonus450kW單機(jī)組成，總裝機(jī)4.95MW。隨后荷蘭、瑞典、英國相繼建成了自己的海上風(fēng)電場(chǎng)。 目前，已經(jīng)備離岸風(fēng)力發(fā)電設(shè)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(fēng)能，德國的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon、Bonus和德國著名的Enercon公司。單機(jī)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(duì)于風(fēng)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(jī)的廣泛應(yīng)用和20世紀(jì)50年代中東油田的開展，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的開展緩慢下來。在我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(gè)興旺時(shí)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(jí)以下的風(fēng)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(jì)的較快開展出現(xiàn)了能源供給緊張、環(huán)境污染嚴(yán)重等現(xiàn)象，另外由于科技意識(shí)日漸深入人心，可再生無污染的風(fēng)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(jī)組；內(nèi)蒙古的有關(guān)單位研制的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)已有批量生產(chǎn)，用于解決地處偏遠(yuǎn)、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(fēng)力發(fā)電在我國得到了相應(yīng)的開展。目前微型〔<1KW〕、小型〔1-10KW〕風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)日漸成熟，已經(jīng)到達(dá)商品化程度。同時(shí)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組〔600KW〕也研制成功，并已投入了運(yùn)行。此外，從國外引進(jìn)了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建設(shè)了20余個(gè)風(fēng)電場(chǎng)。總裝機(jī)容量到達(dá)了近25MW。根據(jù)國家氣象科學(xué)院的估算，我國陸地地面10米高度層風(fēng)能的理論可開發(fā)量為32億kW，實(shí)際可開發(fā)量為2.53億kW。海上風(fēng)能可開發(fā)量是陸地風(fēng)能儲(chǔ)量的3倍。從統(tǒng)計(jì)資料來看，在我國風(fēng)能利用與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)雖然有了一定的進(jìn)展，與國外先進(jìn)國家相比擬仍然存在差距，尤其是在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的開發(fā)與研制方面。2、對(duì)典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)評(píng)述2.1異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用籠型異步發(fā)電機(jī)，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(lì)磁，沒有集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、價(jià)格廉價(jià)且并網(wǎng)容易。由于是定速恒頻機(jī)組，轉(zhuǎn)速根本不變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)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(jī)型低。該類型機(jī)組運(yùn)行時(shí)，從電力系統(tǒng)吸收無功功率，為滿足電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)功率因數(shù)的要求，多在機(jī)端并聯(lián)補(bǔ)償電容器。由于風(fēng)速隨氣候環(huán)境變化，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力機(jī)不可能常運(yùn)行在額定風(fēng)速下，為充分利用低風(fēng)速時(shí)的風(fēng)能，增加全年的發(fā)電量，近年廣泛應(yīng)用雙速異步發(fā)電機(jī)。其極對(duì)數(shù)可改變，運(yùn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)也稱作變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)〔如圖4〕，其風(fēng)力機(jī)可變速運(yùn)行，運(yùn)行速度能在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp得到優(yōu)化,獲得高的利用率，并實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)較平滑的電功率輸出。圖4雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)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(jī)交流永磁同步發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與一般同步發(fā)電機(jī)相同，轉(zhuǎn)子采用永磁結(jié)構(gòu)，無勵(lì)磁繞組及滑環(huán)碳刷。發(fā)電機(jī)軸直接連到風(fēng)力機(jī)軸上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化。由于發(fā)電機(jī)為直接驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，省去了齒輪箱，系統(tǒng)運(yùn)行噪聲低、可靠性高。直接耦合的永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速很低，發(fā)電機(jī)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(jī)組，采用一級(jí)行星齒輪增速器集成多極中速發(fā)電機(jī)，風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)單元直接相連，其增速比約為高傳動(dòng)比齒輪副的1/10，發(fā)電機(jī)極數(shù)較直驅(qū)型發(fā)電機(jī)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(jī)運(yùn)行時(shí)，全部功率經(jīng)AC-DC-AC變換，故與雙饋異步發(fā)電機(jī)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(yùn)行，滿足電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)日益嚴(yán)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(fēng)電機(jī)組越來越多地采用永磁同步發(fā)電機(jī)。3、風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架和根底構(gòu)成。風(fēng)輪是風(fēng)力機(jī)的核心部件。機(jī)艙由底盤、整流罩和機(jī)艙罩組成，底盤上安裝機(jī)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(jī)艙罩后上方裝有風(fēng)速和風(fēng)向傳感器，艙壁上有隔音及通風(fēng)裝置等，底部與塔架連接。塔架支撐機(jī)艙到達(dá)所需高度，其上布置發(fā)電機(jī)和主控制器之間的動(dòng)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(jī)艙的扶梯或電梯。根底采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中心預(yù)置與塔架連接的根底部件，根底周圍還設(shè)置了防雷擊的接地裝置。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙構(gòu)成示意圖見圖1。圖1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙構(gòu)成3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型主要按容量和結(jié)構(gòu)即〔機(jī)型〕劃分。3.2.1按容量分容量在0.1~1kW為小型機(jī)組,1~100kW為中型機(jī)組,100~1000kW為大型機(jī)組,大于10000kW為特大型機(jī)組。3.2.2按風(fēng)輪軸方向分水平軸風(fēng)力機(jī)組：風(fēng)輪圍繞水平軸旋轉(zhuǎn)。風(fēng)輪在塔架前面迎風(fēng)的稱為上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)，在塔架后面迎風(fēng)的稱為下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)。上風(fēng)向風(fēng)力機(jī)需利用調(diào)向裝置來保持風(fēng)輪迎風(fēng)。垂直軸風(fēng)力機(jī)組：風(fēng)輪圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，可接收來自任何方向的風(fēng)，故無需對(duì)風(fēng)。垂直軸風(fēng)力機(jī)又分為利用空氣動(dòng)力的阻力作功和利用翼型的升力作功兩個(gè)主要類別。3.2.3按功率調(diào)節(jié)方式分定槳距機(jī)組：葉片固定安裝在輪轂上，角度不能改變，風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動(dòng)特性〔失速〕或偏航控制。變槳距〔正變距〕機(jī)組：須配備一套葉片變槳距機(jī)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(dòng)失速〔負(fù)變距〕機(jī)組：當(dāng)風(fēng)力機(jī)到達(dá)額定功率后，相應(yīng)地增加攻角，使葉片的失速效應(yīng)加深，從而限制風(fēng)能的捕獲。3.2.4按傳動(dòng)形式分高傳動(dòng)比齒輪箱型機(jī)組：風(fēng)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(jī)轉(zhuǎn)速的要求。齒輪箱的主要功能是增速和動(dòng)力傳遞。直接驅(qū)動(dòng)型機(jī)組：應(yīng)用了多極同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，省去風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中常見的齒輪箱，風(fēng)力機(jī)直接拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在低速狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。中傳動(dòng)比齒輪箱〔“半直驅(qū)〞〕型機(jī)組：采用一級(jí)行星齒輪副，其增速比約為高傳動(dòng)比齒輪副的1/10，因而減少了多極同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極數(shù)和體積。3.2.5按轉(zhuǎn)速變化分定速機(jī)組：轉(zhuǎn)速恒定不變，不隨風(fēng)速變化。多態(tài)定速機(jī)組：包含兩臺(tái)不同轉(zhuǎn)速和容量的發(fā)電機(jī)，可根據(jù)風(fēng)速的變化，選投其中一臺(tái)運(yùn)行。變速機(jī)組：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化。3.3風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性及結(jié)構(gòu)3.3.1氣動(dòng)特性風(fēng)輪葉片是風(fēng)力機(jī)最重要的部件之一，其平面和剖面幾何形狀與風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力特性密切相關(guān)。風(fēng)輪葉片在空氣動(dòng)力作用下主要產(chǎn)生兩種力：升力推動(dòng)風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行有效工作，阻力形成對(duì)風(fēng)輪葉片的正面壓力。風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率用風(fēng)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(fēng)速之比，槳距角β是葉片剖面的翼弦線與風(fēng)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(fēng)能利用系數(shù)Cp只有在葉尖速比為λm時(shí)最大。因此，在一定的風(fēng)速下調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使其運(yùn)行在最正確葉尖速比λm條件下，即可捕獲最大風(fēng)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?？梢钥闯觯S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(dāng)α=αcr時(shí)，Cp到達(dá)最大值Cpmax；當(dāng)α＞αcr時(shí)，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(shí)，風(fēng)力機(jī)的輸出功率顯著減小，噪聲常常會(huì)突然增加，并引起風(fēng)力機(jī)振動(dòng)和運(yùn)行不穩(wěn)定等。圖3一種典型的Cp與α的關(guān)系曲線風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪并不能提取風(fēng)的所有功率。根據(jù)貝茲〔Betz〕理論，風(fēng)力機(jī)能獲取的最大功率是風(fēng)功率的59.3%。3.3.2結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)的核心部件是風(fēng)輪，風(fēng)輪由葉片和輪轂組成。3.3.2.1葉片葉片具有空氣動(dòng)力形狀，能接受風(fēng)能，使風(fēng)輪繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。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(fēng)力機(jī)葉片一般為2片或3片。兩葉片風(fēng)輪的制造本錢較低，但葉片幾何形狀及風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度相同時(shí)，兩葉片風(fēng)輪對(duì)應(yīng)最大風(fēng)能利用系數(shù)的轉(zhuǎn)速比擬高、由脈動(dòng)載荷引起的風(fēng)輪軸向力變化也較大。三葉片風(fēng)輪由于外形整體對(duì)稱，旋轉(zhuǎn)速度較低、噪聲相對(duì)較小，更易于為群眾接受，故目前三葉片風(fēng)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(fēng)輪的力和力矩傳遞到主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)控制葉片槳距角〔使葉片作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)〕。輪轂有固定式和鉸鏈?zhǔn)絻煞N。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(fēng)輪普遍采用這種剛性輪轂。鉸鏈?zhǔn)捷嗇灣Ｓ糜趩稳~片和兩葉片風(fēng)輪，又分為葉片之間相對(duì)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(duì)位置不變；后者每個(gè)葉片互不依賴，在外力作用下，葉片可單獨(dú)作調(diào)整運(yùn)動(dòng)。鉸鏈?zhǔn)捷嗇灳哂谢顒?dòng)部件，相對(duì)于固定式輪轂來說，制造本錢高、可靠性較低、維護(hù)費(fèi)用高，但其所承受的力和力矩較小。風(fēng)電技術(shù)的應(yīng)用和開展前景風(fēng)力發(fā)電技術(shù)單機(jī)容量增大，世界上最大風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量到達(dá)了6MW，葉輪直徑127m，8～l0MW的風(fēng)電機(jī)組也已在設(shè)計(jì)開發(fā)中。由于風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的大型化尚未出現(xiàn)技術(shù)限制，其單機(jī)容量將繼續(xù)增大。傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新。從中長期看，直驅(qū)式和半直驅(qū)式傳動(dòng)系統(tǒng)在特大型風(fēng)力機(jī)中所占比例將日趨提高。傳動(dòng)系統(tǒng)采用集成化設(shè)計(jì)和緊湊型結(jié)構(gòu)是未來特大型風(fēng)力機(jī)的開展趨勢(shì)。葉片技術(shù)不斷改良。對(duì)于2MW以下風(fēng)力機(jī)，通常采用增加塔筒高度和葉片長度來提高發(fā)電量，但對(duì)于更大容量的風(fēng)電機(jī)組，這兩項(xiàng)措施可能會(huì)大幅增加運(yùn)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(fēng)力機(jī)葉片長，運(yùn)輸困難，分段式葉片是個(gè)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(fēng)電機(jī)組占主導(dǎo)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(diǎn)，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(jī)的轉(zhuǎn)速，能使風(fēng)力機(jī)的葉尖速比接近最正確值，從而最大限度地利用風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)。無刷交流雙饋異步發(fā)電機(jī)除了具有交流雙饋異步發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)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(hù)的優(yōu)點(diǎn)。高壓同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是輸出電壓高達(dá)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(lì)磁，可直接與風(fēng)力機(jī)軸相聯(lián)，省去了齒輪箱。開發(fā)建設(shè)海上風(fēng)力發(fā)電工程。海上風(fēng)電場(chǎng)成為新的大型風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用領(lǐng)