風(fēng)力發(fā)電機科技的論文

風(fēng)力發(fā)電機科技的論文

　　摘 要：利用風(fēng)能來發(fā)電是新能源應(yīng)用的一種主要形式。就風(fēng)力發(fā)電過程中涉及的控制技術(shù)進行闡述，分析該技術(shù)存在的三個主要問題及發(fā)展趨勢，提出解決相關(guān)問題的關(guān)鍵技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電 機械控制 電路控制

　　中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973(2013)012-171-02

　　風(fēng)能資源的開發(fā)利用這項技術(shù)，從最早的單機組運行到現(xiàn)在的全國連網(wǎng)并列運行，相應(yīng)的發(fā)電機組的容量也從開始的數(shù)十千瓦級發(fā)展到海上風(fēng)電場的兆瓦級;對機組的機械控制方式從定槳距失速控制到變槳距運行，電力電子控制從恒速恒頻發(fā)展到現(xiàn)在雙饋異步等形式的變速恒頻。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在能源開發(fā)利用方面要想有更好的發(fā)展前景，和火力水利等傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)相抗衡，關(guān)鍵還是要解決控制問題。而控制問題區(qū)別于其它形式發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵還是風(fēng)力發(fā)電輸入風(fēng)能不穩(wěn)定，而要求輸出電能頻率要求穩(wěn)定的問題。解決問題主要可以從以下三個方面考慮：

　　(1)風(fēng)力發(fā)電由于風(fēng)速變化大，輸入風(fēng)能不穩(wěn)定，風(fēng)力機轉(zhuǎn)速不好控制，風(fēng)力發(fā)電機的輸入部分存在技術(shù)開發(fā)的空間，即從機械方面考慮改進措施，進行機械控制。

　　風(fēng)力發(fā)電的機型按照并網(wǎng)時速度是否改變主要分為兩種，恒速恒頻型機組和變速恒頻型機組。不論哪種機型，目前風(fēng)力發(fā)電機的葉輪都采用水平軸、三葉片，上風(fēng)向布置;額定轉(zhuǎn)速約27r/min。風(fēng)能通過風(fēng)力機轉(zhuǎn)換成為動能，風(fēng)力機通過轉(zhuǎn)軸驅(qū)動后面聯(lián)動的風(fēng)力發(fā)電機。從而實現(xiàn)風(fēng)能-機械能-電能的轉(zhuǎn)換。

　　風(fēng)力機的風(fēng)輪一般采用三槳葉與輪轂剛性相連的結(jié)構(gòu)，即定槳距風(fēng)輪。主要是因為三葉片具有平衡和美觀等優(yōu)良性能。為了實現(xiàn)對其很好的控制，一般在槳葉尖部1.5～2.5m處，設(shè)計成可調(diào)控的葉尖擾流器，葉尖擾流器起氣動剎車的作用。當風(fēng)速過大時，葉尖擾流器釋放并旋轉(zhuǎn)形成阻尼板，影響風(fēng)能在葉片上的受力分布，改變風(fēng)力機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。特別當風(fēng)力發(fā)電機組需要脫網(wǎng)停機時，它可以用作機械制動，效果特別明顯。

　　風(fēng)力發(fā)電機組從定槳距發(fā)展到變槳距經(jīng)歷了很長一段時間。早期的定槳距具有以下性能優(yōu)點：采用軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動力剎車技術(shù)、偏航與自動解纜技術(shù)，使風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)問題和運行的安全性與可靠性大大提高。但是，由于葉片的安裝角在裝配時已經(jīng)固定，其功率輸出是由槳葉自身的性能來調(diào)節(jié)的，因此，在允許的風(fēng)速范圍內(nèi)，定槳距風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)在運行過程中對由于風(fēng)速變化引起輸出能量的變化是無能為力的。這就大大降低了風(fēng)能利用效率，使得定槳距風(fēng)力發(fā)電機組的推廣得到限制。

　　針對上述特點，大型風(fēng)力發(fā)電機組，特別是兆瓦級機組(1000kw以上)的風(fēng)力發(fā)電機組在設(shè)計，葉片采用變槳距連接，即葉片與輪轂中間采用可轉(zhuǎn)動的推力軸承或?qū)ｉT為變距機構(gòu)設(shè)計的`回轉(zhuǎn)支撐聯(lián)接，變槳距風(fēng)力發(fā)電機的葉片較薄，結(jié)構(gòu)相對簡單，重量小很多，使得變槳距風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量小，設(shè)計容易，易于制造大型風(fēng)力發(fā)電機組。這樣風(fēng)力機可根據(jù)風(fēng)速的變化適時調(diào)整葉片連接角度，改善葉片周圍的流場分布，即使風(fēng)速不在額定風(fēng)速的工況下，機組的輸出功率也可以保持在額定功率上。特別是在大風(fēng)情況下，風(fēng)力機可以使葉片順槳，保證整個機組風(fēng)能利用大大提高。

　　現(xiàn)在，大型風(fēng)力發(fā)電機組一般都采用變槳距的結(jié)構(gòu)形式。這樣可以在起動時對轉(zhuǎn)速進行控制，并網(wǎng)后可對功率進行控制，使風(fēng)力機的起動性能和功率輸出特性都有顯著和改善。機組的液壓系統(tǒng)作為變距系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的一部分，在整個閉環(huán)控制系統(tǒng)中占有很大作用，大大提高了發(fā)電系統(tǒng)的運行自動化程度。

　　(2)風(fēng)力機轉(zhuǎn)軸帶動風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。風(fēng)力機在風(fēng)力的推動下旋轉(zhuǎn)，由于輸入風(fēng)能時刻在改變，不穩(wěn)定，而且風(fēng)力機在風(fēng)能向機械能轉(zhuǎn)換過程中存在轉(zhuǎn)換效率問題，再加上受到設(shè)計制造的局限，風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速不能很高，但是傳統(tǒng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速相對要求高，所以連接部分―風(fēng)力發(fā)電機需要進行技術(shù)方面的改進。

　　由于風(fēng)力發(fā)電機組體積龐大，重量達到幾噸到幾十噸，工作時具有很大的轉(zhuǎn)動慣量;另一方面，受到風(fēng)力發(fā)電機制造技術(shù)和葉片材料的約束，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速不能太高，一般運行在20～30r/min。機組容量越大，轉(zhuǎn)速越低。為了在此基礎(chǔ)上發(fā)電機得到更多的動能輸入，需要設(shè)置增速齒輪箱。齒輪布置時采用沿軸線分布的結(jié)構(gòu)特點。但是由于增加了龐大的機械設(shè)備，齒輪間存在高速運行易磨損的問題，使風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)生故障的可能性提高了，現(xiàn)在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組(即機組連接部分不用增速齒輪箱)正在慢慢受到設(shè)計者的青睞。

　　風(fēng)力發(fā)電機組中的發(fā)電機一般采用異步發(fā)電機，異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速取決于電網(wǎng)的頻率，只能在同步轉(zhuǎn)速附近很小的范圍內(nèi)變化。對于定槳距風(fēng)力發(fā)電機組，一般還采用高滑差異步發(fā)電機和變速恒頻的雙饋異步發(fā)電機。這樣可以使機組的運行風(fēng)況范圍大大增加即雖然風(fēng)速遠離額定值，但是發(fā)電機的效率不會降低，風(fēng)能利用系數(shù)得到提高的同時，發(fā)電機組的噪聲降低。發(fā)出電能的頻率也會符合電網(wǎng)要求。

　　現(xiàn)在，大型風(fēng)電場一般都采用變速風(fēng)力發(fā)電機組。它的關(guān)鍵技術(shù)在于采用了繞線型異步發(fā)電機(其轉(zhuǎn)速可以有很大的變化)或同步電機，再在輸出電能的電路中增加相應(yīng)的變頻技術(shù)。同步發(fā)電機的并網(wǎng)一般有兩種方式：一種是準同期直接并網(wǎng)，這種方法在大型風(fēng)力發(fā)電中極少采用;另一種是交-直-交并網(wǎng)。控制技術(shù)主要任務(wù)是對最佳葉尖速比的測量監(jiān)控，使得機組在允許風(fēng)速的任何情況下都可以獲得理想的功率輸出。

　　(3)如果直接用風(fēng)力機帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，即直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機，輸出電能頻率與電網(wǎng)頻率存在銜接問題，即從電力電子方面考慮改進措施，進行電路控制。

　　風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)出的電能頻率可以不為50HZ，但是經(jīng)過變頻電路處理，使電能質(zhì)量達到并網(wǎng)要求，穩(wěn)定可靠得給電網(wǎng)提供電能。

　　控制技術(shù)和監(jiān)測技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。因為風(fēng)能不穩(wěn)定，風(fēng)速大小和方向隨著季節(jié)和氣候的改變而改變，風(fēng)力資源豐富的地區(qū)通常都是海島或邊遠地區(qū)甚至海上，風(fēng)力發(fā)電機組一般安裝在無人值守區(qū)，占地面積較大。所以對輸入功率的限制、風(fēng)輪的主動對風(fēng)以及對運行過程中故障的檢測和維護必須實行自動化控制。分散布置的風(fēng)力發(fā)電機組通常要求遠程監(jiān)控，自動控制應(yīng)該實施運行人員設(shè)置的控制策略，保證機組安全可靠地運行。

　　風(fēng)力發(fā)電技術(shù)未來的發(fā)展趨勢將是全實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)的自動化，在風(fēng)電場運行的風(fēng)力發(fā)電機組全部可以實現(xiàn)中央集中控制和遠程控制。火力水利等發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，主要的任務(wù)是監(jiān)視電網(wǎng)、機組運行參數(shù)，對機組進行并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制，以確保運行過程的安全性與可靠性，而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)則在此基礎(chǔ)上，還要增加一些傳感器檢測技術(shù)，時刻監(jiān)測風(fēng)速風(fēng)向。根據(jù)對其變化趨勢的分析，做出判斷，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性。

　　總之，隨著技術(shù)的不斷改進，基于變槳距技術(shù)的各種變速風(fēng)力發(fā)電機組已經(jīng)在風(fēng)電市場得到推廣。變速風(fēng)力發(fā)電機組的優(yōu)點在不斷顯示出來。變速風(fēng)力發(fā)電機組的可以在低于額定風(fēng)速時，跟蹤最佳功率曲線，使風(fēng)力發(fā)電機組具有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率;在高于額定風(fēng)速時，增加傳動系統(tǒng)的柔性，穩(wěn)定輸出功率，向電網(wǎng)提供安全可靠經(jīng)濟的電能。

　　參考文獻：

　　[1] 宋海輝.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及工程[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

　　[2] 王承熙，張源.風(fēng)力發(fā)電[M].北京：中國電力出版社，2012.

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