奥鹏远程教育《新能源发电》XX

作为自然能源,风能是最清洁、环保、经济的能源之一，是太阳对地球外表不均衡加热而引起的“空气流动〞，流动空气具有的动能称之为风能。因此，风能是一种广义的太阳能。据世界气象组织〔WMO〕和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能的20倍。中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍，风能资源非常丰富。风能是一种技术比拟成熟、很有开发利用前景的可再生能源之一。风能的利用方式不仅有风力发电、风力提水，而且还有风力致热、风帆助航等。因此，开发利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力，从而唤起了世界众多的科学家致力于风能利用方面的研究。风力发电是一种技术最成熟的可再生能源利用方式，发电机是风力发电机组中将风能转化为电能的重要装置，控制技术是风力机平安高效运行的关键。1、风电的开展历史、我国风电的研发利用状况风能，人类最早使用的能源之一，远在公元前2000年，埃及、波斯等国已出现帆船和风磨，中世纪荷兰与美国已有用于排灌的水平轴风车。我国是世界上最早利用风能的国家之一，早在距今1800年前，我国就有风力提水的记载。1890年丹麦的P·拉库尔研制成功了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站。自二十世纪初至二十世纪六十年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的利用阶段。 随着大型水电、火电机组的采用和电力系统的开展，1970年以前研制的中、大型风力发电机组因造价高和可靠性差而逐渐被淘汰，到二十世纪六十年代末相继都停止了运转。这一阶段的试验研究说明，这些中、大型机组一般在技术上还是可行的，它为二十世纪七十年代后期的大开展奠定了根底。 1980年以来，国际上风力发电机技术日益走向商业化。主要机组容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW。1991年丹麦在Vindeby建成了世界上第一个海上风电场，由11台丹麦Bonus450kW单机组成，总装机4.95MW。随后荷兰、瑞典、英国相继建成了自己的海上风电场。 目前，已经备离岸风力发电设备商业生产能力的厂家，主要有丹麦的Vestas〔包括被其整合的NEG-Micon〕，美国的GE风能，德国的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon、Bonus和德国著名的Enercon公司。单机额定功率覆盖范围从2MW、2.3MW、3.6MW、4.2MW、4.5MW到5MW。叶轮直径从80m、82.4m、100m、110m、114m、116m到126m。人类对于风能的开发利用也很早就开始了。但是，近代火力、水力发电机的广泛应用和20世纪50年代中东油田的开展，使风力发电机的开展缓慢下来。在我国风力发电机组的研制工作开展较早，但是没得到足够的重视与支持，因而开展较慢。五十年代后期有过一个兴旺时期，吉林、辽宁、内蒙古、江苏、安徽和云南等省都研制过千瓦级以下的风车，但是没有做好稳固和开展成果的工作。七十年代后，随着国民经济的较快开展出现了能源供给紧张、环境污染严重等现象，另外由于科技意识日渐深入人心，可再生无污染的风能利用受到了足够的重视。在浙江、黑龙江、福建研制出了较大功率的机组；内蒙古的有关单位研制的小型风力发电机已有批量生产，用于解决地处偏远、居住分散的农牧民住户、蒙古包的生活用电和少量生产用电。八十年代以来，风力发电在我国得到了相应的开展。目前微型〔<1KW〕、小型〔1-10KW〕风力发电机的技术日渐成熟，已经到达商品化程度。同时大型风力发电机组〔600KW〕也研制成功，并已投入了运行。此外，从国外引进了大型风力发电机组建设了20余个风电场。总装机容量到达了近25MW。根据国家气象科学院的估算，我国陆地地面10米高度层风能的理论可开发量为32亿kW，实际可开发量为2.53亿kW。海上风能可开发量是陆地风能储量的3倍。从统计资料来看，在我国风能利用与风力发电技术虽然有了一定的进展，与国外先进国家相比拟仍然存在差距，尤其是在大型风力发电机组的开发与研制方面。2、对典型风力发电机结构评述2.1异步风力发电机一般采用笼型异步发电机，其定子由铁芯和定子绕组构成，转子为笼型结构，转子铁芯由硅钢片叠成。其转子无需外加励磁，没有集电环和电刷，结构简单、运行可靠、价格廉价且并网容易。由于是定速恒频机组，转速根本不变，风力发电机组运行在最正确Cp下的概率较小，因而其发电能力比后述的两种机型低。该类型机组运行时，从电力系统吸收无功功率，为满足电网对风电场功率因数的要求，多在机端并联补偿电容器。由于风速随气候环境变化，驱动发电机的风力机不可能常运行在额定风速下，为充分利用低风速时的风能，增加全年的发电量，近年广泛应用双速异步发电机。其极对数可改变，运行方式有高转速大容量和低转速小容量两种。2.2馈异步风力发电机双馈异步风力发电机也称作变速恒频发电系统〔如图4〕，其风力机可变速运行，运行速度能在一个较宽的范围内调节，使风力机的风能利用系数Cp得到优化,获得高的利用率，并实现发电机较平滑的电功率输出。图4双馈异步发电机变速恒频风力发电系统原理图2.3直驱式交流永磁同步发电机交流永磁同步发电机的定子结构与一般同步发电机相同，转子采用永磁结构，无励磁绕组及滑环碳刷。发电机轴直接连到风力机轴上，转子的转速随风速变化。由于发电机为直接驱动结构，省去了齿轮箱，系统运行噪声低、可靠性高。直接耦合的永磁发电机转速很低，发电机极数多、体积大、制造本钱高。为克服这一弊端而开发的半直驱型机组，采用一级行星齿轮增速器集成多极中速发电机，风轮与发电机单元直接相连，其增速比约为高传动比齿轮副的1/10，发电机极数较直驱型发电机少许多，体积也大幅缩小，重量明显减轻。交流永磁同步发电机运行时，全部功率经AC-DC-AC变换，故与双馈异步发电机相比，其变流器容量要大得多。但全容量的变流器更容易维持低电压运行，满足电网对风电并网日益严格的要求。在大功率变流装置技术和高性能永磁材料日益开展完善的背景下，大型风电机组越来越多地采用永磁同步发电机。3、风力发电控制技术3.1风力发电机组的构成风力发电机组由风轮、机舱、塔架和根底构成。风轮是风力机的核心部件。机舱由底盘、整流罩和机舱罩组成，底盘上安装机组发电系统、变桨距系统及偏航系统等主要部件。机舱罩后上方装有风速和风向传感器，舱壁上有隔音及通风装置等，底部与塔架连接。塔架支撑机舱到达所需高度，其上布置发电机和主控制器之间的动力电缆、控制电缆及通信电缆，塔架上还装有供操作人员上下机舱的扶梯或电梯。根底采用钢筋混凝土结构，其中心预置与塔架连接的根底部件，根底周围还设置了防雷击的接地装置。水平轴风力发电机组机舱构成示意图见图1。图1风力发电机组机舱构成3.2风力发电机组的分类风力发电机组类型主要按容量和结构即〔机型〕划分。3.2.1按容量分容量在0.1~1kW为小型机组,1~100kW为中型机组,100~1000kW为大型机组,大于10000kW为特大型机组。3.2.2按风轮轴方向分水平轴风力机组：风轮围绕水平轴旋转。风轮在塔架前面迎风的称为上风向风力机，在塔架后面迎风的称为下风向风力机。上风向风力机需利用调向装置来保持风轮迎风。垂直轴风力机组：风轮围绕垂直轴旋转，可接收来自任何方向的风，故无需对风。垂直轴风力机又分为利用空气动力的阻力作功和利用翼型的升力作功两个主要类别。3.2.3按功率调节方式分定桨距机组：叶片固定安装在轮毂上，角度不能改变，风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性〔失速〕或偏航控制。变桨距〔正变距〕机组：须配备一套叶片变桨距机构，通过改变翼型桨距角，使翼型升力发生变化从而调节输出功率。主动失速〔负变距〕机组：当风力机到达额定功率后，相应地增加攻角，使叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。3.2.4按传动形式分高传动比齿轮箱型机组：风轮的转速较低，必须通过齿轮箱、齿轮副的增速来满足发电机转速的要求。齿轮箱的主要功能是增速和动力传递。直接驱动型机组：应用了多极同步风力发电机，省去风力发电系统中常见的齿轮箱，风力机直接拖动发电机转子在低速状态下运转。中传动比齿轮箱〔“半直驱〞〕型机组：采用一级行星齿轮副，其增速比约为高传动比齿轮副的1/10，因而减少了多极同步风力发电机的极数和体积。3.2.5按转速变化分定速机组：转速恒定不变，不随风速变化。多态定速机组：包含两台不同转速和容量的发电机，可根据风速的变化，选投其中一台运行。变速机组：发电机转速随风速变化。3.3风力机的气动特性及结构3.3.1气动特性风轮叶片是风力机最重要的部件之一，其平面和剖面几何形状与风力机空气动力特性密切相关。风轮叶片在空气动力作用下主要产生两种力：升力推动风力机旋转进行有效工作，阻力形成对风轮叶片的正面压力。风力机将风能转换为机械能的效率用风能利用系数Cp表示，Cp是叶尖速比λ和桨距角β〔或攻角α〕的函数。叶尖速比λ是叶片的叶尖圆周速度与风速之比，桨距角β是叶片剖面的翼弦线与风轮旋转面间的夹角，而攻角α是叶片剖面的翼弦线与合成气流方向间的夹角。Cp与λ的典型关系如图2所示。可以看出，风能利用系数Cp只有在叶尖速比为λm时最大。因此，在一定的风速下调节风力机转速，使其运行在最正确叶尖速比λm条件下，即可捕获最大风能。图2一种典型的Cp与λ的关系曲线Cp与α的典型关系如图3所示。可以看出，随着α由零逐渐增大到接近αcr，Cp由某一数值开始逐渐增大，根本呈线性变化。当α=αcr时，Cp到达最大值Cpmax；当α＞αcr时，Cp随α的增加而明显下降，这一现象称为失速。失速发生时，风力机的输出功率显著减小，噪声常常会突然增加，并引起风力机振动和运行不稳定等。图3一种典型的Cp与α的关系曲线风力发电机组的风轮并不能提取风的所有功率。根据贝兹〔Betz〕理论，风力机能获取的最大功率是风功率的59.3%。3.3.2结构风力机的核心部件是风轮，风轮由叶片和轮毂组成。3.3.2.1叶片叶片具有空气动力形状，能接受风能，使风轮绕轴转动。叶片呈螺旋桨状，其上不同截面的桨距角随其所处半径的增大而逐渐减小。目前，水平轴风力机叶片一般为2片或3片。两叶片风轮的制造本钱较低，但叶片几何形状及风轮旋转速度相同时，两叶片风轮对应最大风能利用系数的转速比拟高、由脉动载荷引起的风轮轴向力变化也较大。三叶片风轮由于外形整体对称，旋转速度较低、噪声相对较小，更易于为群众接受，故目前三叶片风轮居多。3.3.2.2轮毂轮毂用于将叶片固定到转轴上，并将风轮的力和力矩传递到主传动机构，同时控制叶片桨距角〔使叶片作俯仰转动〕。轮毂有固定式和铰链式两种。固定式轮毂为铸造或焊接结构件，铸造采用铸钢或球墨铸铁材料。目前，三叶片风轮普遍采用这种刚性轮毂。铰链式轮毂常用于单叶片和两叶片风轮，又分为叶片之间相对固定和各叶片自由两种类型。前者两叶片之间固定连接，轴向相对位置不变；后者每个叶片互不依赖，在外力作用下，叶片可单独作调整运动。铰链式轮毂具有活动部件，相对于固定式轮毂来说，制造本钱高、可靠性较低、维护费用高，但其所承受的力和力矩较小。风电技术的应用和开展前景风力发电技术单机容量增大，世界上最大风电机组的单机容量到达了6MW，叶轮直径127m，8～l0MW的风电机组也已在设计开发中。由于风电机组设备的大型化尚未出现技术限制，其单机容量将继续增大。传动系统设计不断创新。从中长期看，直驱式和半直驱式传动系统在特大型风力机中所占比例将日趋提高。传动系统采用集成化设计和紧凑型结构是未来特大型风力机的开展趋势。叶片技术不断改良。对于2MW以下风力机，通常采用增加塔筒高度和叶片长度来提高发电量，但对于更大容量的风电机组，这两项措施可能会大幅增加运输和吊装的难度及本钱。为此，开发高效叶片越来越受到重视。另外，特大型风力机叶片长，运输困难，分段式叶片是个很好的解决方案，而解决两段叶片接合处的刚性断裂问题那么成为技术关键。变速变桨距风电机组占主导地位。变桨距功率调节方式具有系统柔性好、调节平稳、发电量大的优点，这种调节方式将逐渐取代失速功率调节方式。变速恒频方式通过控制发电机的转速，能使风力机的叶尖速比接近最正确值，从而最大限度地利用风能，提高发电量，已逐渐取代恒速恒频调节方式。开发新型风力发电机。无刷交流双馈异步发电机除了具有交流双馈异步发电机的优点外，还因省去电刷和滑环而具有结构简单可靠、根本上免维护的优点。高压同步发电机的特点是输出电压高达10～40kV，因而可省去变压器而直接与电网连接，并采用高压直流输电；其转子采用多极永磁励磁，可直接与风力机轴相联，省去了齿轮箱。开发建设海上风力发电工程。海上风电场成为新的大型风电机组的应用领