风力发电技术及其发展趋势

电力学报

　　JOURNALOFELECTRICPOWER

Vol.23No.4　Aug.2008

文章编号:　100526548(2008)0420272204

风力发电技术及其发展趋势

陈　鸣,杨　刚

Ξ

(中山大学太阳能系统研究所广东省教育厅重点实验室,广州510006)摘　要:风力发电技术是一种极具利用潜能的可再生能源发电技术。首先回顾了我国风力发电的情况,在此基础上分析了大型风力发电机组技术和小型风力发电技术。对于大型风力发电技术中使用的三种功率调节方式进行了探讨并且分析了保持风力发电机组输出频率恒定的变速恒频法。对小型风力发电机普遍采用的直驱式永磁结构进行了分析,最后展望了风力发电技术的发展趋势和前景。关键词:风力发电;功率调节;恒频输出;永磁发电机中图分类号:TM614　　　文献标识码:A

　　随着石油价格的持续上涨以及温室效应的出现,世界各国对新能源的研究和开发关注度提高。风

力发电由于具有无污染、投资周期短、占地少等优点,受到世界各国的青睐。风力资源是取之不尽、用之不竭的可再生能源,并且具有无空气污染、无噪音、不产生废弃物的优点。利用风力发电可以节省煤炭、石油等常规能源。风力发电技术成熟,在可再生能源中成本相对较低,有着广阔的发展前景。风力发电技术可以灵活应用,既可以并网运行,也可以离网独立运行,还可以与其它能源技术组成互补发电系统。风电场运营模式可以为国家电网补充电力,小型风电机组为多风的海岛和偏僻的乡村提供生产、生活用电,它所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低得多。

成功。在20世纪80年代中期,我国曾开发过变桨距调节的20kW,30kW,40kW和50kW风力发电机。由于当时我国机械基础水平和调节控制水平较低,开发的机组可靠性差,尤其是变桨距系统故障率高,没有形成产业化。

近几年来,通过引进、消化、吸收,我国已可以生产600kW,750kW和1500kW的风力发电机,并形成了一定的规模,产业化工作落实程度比较好,2000kW或更大功率的风力发电机正在试制出样机或已具备小批量生产能力。而小风力发电机在1000W以下,已完全可以的批量生产,并形成一定的出口能力,1kW以上的到10kW的风力发电机,也有企业小批量生产。

2　大型风力发电技术

2.1　功率调节方式

1　我国风力发电的回顾

我国大型风力发电机技术的开发应用落后于发达的欧美国家。在“八五”和“九五”期间,风能应用被列入了国家重点科技攻关项目,并组织了多家科研单位进行了攻关,目前,具有自主知识产权的200

250kW风力发电机已经开发成功。该机组的kW󰃗

调节方式为失速调节,其中主要的关键技术失速调节型并带叶尖气动刹车的玻璃钢桨叶己由我国自行开发成功,并形成小批量生产。以现场总线控制为核心的定桨距失速调节控制器的软硬件开发也获得了

大型风力发电机组主要包括叶片、偏航装置、刹车装置、齿轮箱、发电机、控制装置、风速计等组件。其功率调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距调节、主动失速调节3种方式[1]。

早期的风力发电机主要是采用定桨距失速调节技术,发电机采用的是异步发电机。定桨距风力发电机组的主要结构特点是:桨叶与轮毂的刚性联接,即当风速变化时,桨叶的迎风角度不能随之变化。这样两个问题必须考虑,一是当风速高于风轮的额定风

Ξ

收稿日期:2008206210

作者简介:陈　鸣(1960-),男,广东广州人,副教授,主要研究方向为可再生能源利用技术、电力电子技术和LED绿色照明技术,(E2

mail)chenming108@126.com

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速时,桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近,因为风力机上所用材料的物理性能是限度的。桨叶的这一特性被称为自动失速性能。二是运行中的风力发电机组在突然失去电网(突甩负载)的情况下,桨叶自身必须具备制动能力,使风力发电机组能够在大风情况下安全停机。定桨距失速调节技术原理是桨距角保持不变,随着风速增加攻角增大,分离区形成大的涡流,流动失去翼型效应。与未分离时相比,上下翼面压力差减小,致使阻力增加,升力减少,造成叶片失速,从而限制了功率的增加。因此,定桨距失速控制没有功率反馈系统和变桨距执行机构,因而整机结构简单,部件少,造价低,并具有较高的安全系数。但发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化,即发电机输出功率完全依靠桨叶气功性能,不能使其尽量运行在最佳叶尖速比上,并且叶片本身结构较复杂,成型工艺难度也较大,随着功率增大,叶片加长,所承受的气动推力增大,使得叶片的刚度减弱,失速动态特性不易控制。另外当发电机的转速低于同步转速时,发电机转变成异步电动机运行,即发电机的频率低于或高于电网频率,发电机进行脱网运行。

为了使发电机输出功率不完全依靠桨叶气功性能,使其尽量运行在最佳叶尖速比上,以优化功率输出,出现了变桨距风力发电机组,变桨距是指风轮叶片的安装角随风速而变化,其特点是:发电机功率调节不完全依靠叶片的气动性能。当功率在额定功率以下时,控制器将叶片节距角置于0°附近,不作变化,即认为等同于定桨距风力发电机组,发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化;当功率高于额定功率时,变桨距机构开始工作,调整叶片节距角,桨叶节距角向迎风面积减小的方向转动一个角度,相当于增大节距角,减小功角,将发电机的输出功率限制在额定值附近。变桨距风力发电机组在阵风时,塔架、叶片、基础受到的冲击较之定桨距风力发电机组要小得多,可减少材料使用率,降低整机重量,并且也能起到最大功率点运行的作用。它的缺点是需要有一套比较复杂的变桨距调节机构,要求风力发电机的变桨距系统对阵风的响应速度足够快,才能减轻由于风的波动引起的功率脉动。

主动失速型定桨距风力发电机组,是前两种功率调节方式的组合,采取主动失速的风力机开机时,将桨叶节距推进到可获得最大功率位置,当风力发电机组超过额定功率后,桨叶节距主动向失速方向调节,即使桨距角向增大的方向转过一个角度,相应的功角减小,

使叶片的失速效应加深,从而限制风能的捕获,将功率调整在额定值上。由于功率曲线在失速范围的变化率比失速前要低得多,控制相对容易。输出功率也更加平稳。这种方式变桨距调节不需要很灵敏的调节速度,执行机构的功率相对较小,这类发电机输出功率完全依靠桨叶气功性能,不能使其尽量运行在最佳叶尖速比上,以优化功率输出。2.2　恒定频率输出实际使用当中,由于风速的变化范围很大,当异步发电机的转速低于同步转速时,发电机转变成异步电动机运行,即发电机的频率低于或高于电网频率,发电机进行脱网运行。这就要求发电机变速运行,以满足风力机并网运行时,发电机的输出频率与电网频率一致。变速运行风机以最佳叶尖速比、最大功率点运行,可以提高了风力机的运行效率。保持发电机输出频率恒定的方法有两种:

(1)恒速恒频,采取失速调节或者主动失速调节的风力机,以恒速运行时,主要采用异步感应发电机。

(2)变速恒频,采用电力电子变频器将发电机发出的频率变化的电能转化成频率恒定的电能。常见的变速恒频风力发电机系统有:鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电机系统[2]、绕线式异步发电机变速恒频风力发电机系统[324]、无刷双馈异步发电机变速恒频风力发电机系统[526]。

鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电机系统结构图如图1所示,系统采用鼠笼异步电机作为发电机,其变速恒频控制策略在定子电路实现。由于风速的不断变化,导致风力机以及发电机的转速也随之变化,所以实际上鼠笼型风力发电机发出的电频率是变化的,即为变频的。通过定子绕组与电网之间的变频器把变频的电能转换为与电网频率相同的恒频电能。尽管实现了变速恒频控制,具有变速恒频控制的一系列优点,但由于变频器在定子侧,变频器的容量需与发电机的容量相同,使整个系统的成本、体积和重量显著增加,尤其是对于大容量风力发电系统。

图1　鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电机系统

绕线式异步发电机变速恒频风力发电机系统结构图如图2所示,随着变频技术的出现,绕线式异步

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电机代替了原来的鼠笼式异步电机,转子绕组与变频器直接相连接,风速改变时,通过改变转子励磁电压的频率,来保持定子电压频率的恒定。这种系统的变频器容量小,成本低,但是由于电刷和滑环的存在,使得系统的维护成本高,影响了供电可靠性,并且不适合大容量风力发电系统。

大,使得风力发电机的输出电压在很大范围内波动,故此对于离网型发电机往往不能直接与负载相连,而是通过整流器给蓄电池充电,将电能储存再通过蓄电池给负载供电。这类发电机在转速超过额定转速后,其输出电压不会增加许多,即发电机的输出特性在超过额定转速后较软。图2　绕线式异步发电机变速恒频风力发电机系统图4　径向式磁路结构　　　　图5　切向式磁路结构

无刷双馈异步发电机变速恒频风力发电机系统构图如图3所示,发电机采用无刷双馈电机,无刷双馈电机的定子有两套绕组,一套直接与电网相连接,称为功率绕组,另一套绕组通过双向变频器与电网连接。次同步运行时,电网电能经双向变频器变频后输入转子;超同步运行时,转子转差功率通过双向变频器馈送到电网,这时定子和转子都向电网馈送能量,因此成为双馈发电系统,与绕线式异步电机变速恒频发电系统相比,取消了电刷和滑环装置,因此单机容量可以更大,同时变频环节的成本也比较低有功功率和无功功率可以单独进行调节,这种运行方式大大提高了风能的捕获率,提高了风能转化为机械能的效率,从整体上提高了系统的发电效率,发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位不受转子速度和瞬时位置的影响,供电质量高。

其转子结构一般采用两种磁路形式:径向式和切向式[728],分别如图4和图5所示,径向式转子磁路结构中永磁体磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近,漏磁系数较切向结构小,径向磁化结构中的稀土永磁体工作于串联状态,只有一块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通,因此气隙磁密相对较低;切向式转子磁路结构中,永磁体的磁化方向与气隙磁通轴线接近垂直且离气隙较远,其漏磁比径向式结构要大,在切向磁化结构中,永磁体呈并联状态,由两块稀土永磁体提供发电机的每极磁通,可提高气隙磁密,尤其在极数多的情况下更为突出。

4　风力发电技术的发展趋势

目前从风轮到发电机的驱动方式主要有两种:①通过齿轮箱多级变速驱动双馈异步发电机,简称为双馈式,是目前市场上的主流产品;②风轮直接驱动同步发电机,简称为直驱式。双馈式驱动方式中由于风力机和发电机之间变速齿轮箱的存在,造成噪音大、机械磨损高的缺点。直驱式风力机可省去齿轮箱,具有节约投资、减少传动链损失和停机时间、减少能量损失、降低发电成本和噪声、维护费用低、可靠性好等优点,在市场上正在占有越来越大的份额。随着电力电子技术和计算机控制技术的不断进步,大型风力发电机使用直接驱动永磁发电机成为可能,成为变速恒频风力发电的重要趋势之一。永磁直驱发电机变速恒频风力发电机系统如图6所示:通过网侧变换器能够方便地实现对输出功率因数的调整,永磁直驱风力发电系统既可以向电网输送无功,也可以从电网吸收无功[9],并且这种电机中没有转子绕组存在,发电效率较高。我国现在也开始应用研究海上风电技术,2007年下半年底在渤海湾建设安装我国第一座海上风力发电站,发电机采用的是

图3　无刷双馈异步发电机变速恒频风力发电机系统

3　小型风力发电技术

小型风力发电机多采用直驱式永磁结构,提高了发电机的效率,降低了成本,增加了可靠性。永磁发电机的工作原理与普通电励磁发电机相同,但它不需要励磁绕组和直流励磁电源、也就取消了易出故障的集电环和电刷装置、成为无刷电机,因此结构简单,运行可靠。纵然如此,由于铁硼永磁材料的一致性差、温度系数大,导致小型永磁风力发电机的输出电压分散,偏离额定电压,由于风速的变化范围很

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题的一个行之有效的方法。本文介绍了应用广泛的大型风力发电机组技术和小型风力发电技术,对大型风力发电机组技术中的定桨距失速调节、变桨距调节、主动失速调节三种功率调节方式和保持发电机输出频率恒定的恒速恒频和变速恒频两种控制方图6　直驱发电机变速恒频风力发电机系统

1500kW永磁直驱发电机组,保持发电机输出频率恒定的方法变速恒频,并成功并网发电。

5　结论

能源问题是本世纪人类面临的一个重大课题,合理有效地开发和利用风能资源是解决能源枯竭问参考文献:

法进行了分析。对小型风力发电技术,分析了直驱式永磁结构并对径向式和切向式两种转子结构进行了介绍,最后分析了风电技术的发展方向和发展趋势。分析表明,随着电力电子技术和计算机控制技术的不断进步,具有投资少、能量损失小、低发电成本、低噪声、低维护费用、可靠性高等优点的直驱式风力机,会成为未来变速恒频风力发电的重要趋势。

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TheWindPowerGenerationTechnologyandItsDevelopmentProspect

CHENMing,YANGGang

(InstituteofSolarEnergySystem,SunYat2senUniversity;

KeyLaboratoryofGuangdongEducationalDepartment,Guangzhou510006,China)Abstract:Thewindpowergenerationtechnologyisakindofrenewableenergytechnologythathasbeenprovedtohaveagreatpotentialforutilization.ThispaperfirstlyreviewedthewindpowergenerationstatusofChinaandintroducedthelarge2scalewindturbinetechnologyandthemini2typewindgeneratortechnology.Astothelarge2scalewindturbinetechnology,thethreepowerregulationmodesarediscussedandtheVariableSpeedConstantFrequency(VSCF)technologyusedtomaintaintheoutputofthewindturbineataconstantvalueisanalyzed.Thedirectdrivingpermanentmagneticstructuretechnologythatfrequentlyusedinthemini2typewindgeneratorsisalsopresented.Thepaperfinallyintroducedthedevelopmentprospectofthewindpowergenerationtechnology.

Keywords:windpowergeneration;powerregulation;constantfrequencyoutput;permanentmagneticgenerator

[责任编辑:张勇强]