华能阜新风力发电有限责任公司 辽宁省阜新市 123003
摘要：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。
关键词：风力发电技术；发现趋势
1大型风力发电技术
1.1功率调节方式
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。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。
1.2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、绕线式异步发电机变速恒频风力发电机系统、无刷双馈异步发电机变速恒频风力发电机系统。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。
2风力发电技术发展趋势及前景
2.1单机容量向大容量发展。
目前商业化主流机型都以MW级为主，单机容量可达5MW以上。美国、英国和丹麦等国正在研制10MW的巨型风力发电机。预计未来10年，将会有容量更大的巨型风力发电机面世。
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2.2海上发电发展迅速。
相对于陆上风力发电，海上风力发电优势更为明显:发展空间几乎没有限制，可节约大量的土地资源;海上的风能资源远比陆上丰富，风速更高，发电量将显著提升;风切度小，可有效降低机组塔架高度，海上风电建设成本更低;海平面摩擦力小，作用在机组上的荷载小，机组使用寿命可长达50年;噪声、鸟类、景观以及电磁干扰等问题对海上风电影响小;对生态环境基本无影响，绿色环保。目前许多国家都制订了大规模开发利用海上风能计划，欧盟在该领域处于绝对优势地位，占全球海上风电装机容量的90%;中国华能集团新能源公司拟2011年下半年投资60亿元在江苏大丰C4国家潮间带建立300MW风能项目，届时将成为世界上装机规模最大的海上风电场，每年将产生约7.4亿kW·h的清洁能源。
2.3定桨矩、恒速恒频向变桨距、变速恒频发展。
高风速下，变桨距调节可维持输出功率稳定，有效减小机组承受的荷载，确保机组安全运行，延长机组使用年限;变速运行可使机组在风速改变时适时调整转速并保持最佳，可实现风能利用率最大，具有适应能力强、发电效率高以及运行费用低等诸多特点。
2.4双馈风电占主导，直驱式发展迅速。
双馈风力发电由于技术上的优势，仍是目前主流应用的风电机组类型，2009年全球新增风电机组中，双馈型风电机组占80%以上，以丹麦Vestas公司的V80，V90为代表的双馈型风电机组，在全球风电市场中所占的份额最大。无齿轮箱直驱式永磁风力发电机省去了齿轮箱、传动装置等部件，降低了系统的成本，大大减小了系统运行噪声，可靠性高，更便于维护。近些年直驱式风电发展迅速，2009年新增大型风电机组中，直驱式风电机组已超过17%。
2.5采用新的叶片技术。
要提高风电机组单机容量，通常采用延长叶片长度和提高塔架高度来实现，但对于巨型机而言，运输和安装的难度及成本将大幅增加，使风电机组容量进一步增大受到限制。因此，特殊叶片的开发和研制日益引起重视，分段式叶片技术是很好的选择，能较好地解决运输和安装的问题，如德国Enercon公司的E-126型世界上功率最大的风电机组，风轮直径126m，塔高135m，采用了两段式叶片技术，但分段式叶片连接处的刚性断裂问题则成为该技术应用的关键。叶片制造材料也至关重要，目前长度大于50m的叶片一般采用强化碳纤维材料以增强叶片刚度;为了使叶片的气动外形能够快速变化，可采用智力材料如压电材料;采用玻璃钢、碳纤维和热塑材料的混合纱丝制造叶片，可使叶片生产时间缩短50%。
2.6新型风力发电机开发和研制。
前面提及的无刷交流双馈异步电机、开关磁阻发电机和高压发电机，相对于传统发电机具有明显的优势，从降低成本、提高可靠性以及便于维护而言，大力研制新型发电机也势在必行。
2.7优化结构设计、提高可靠性。
从商业化运行角度看，风力发电机组使用寿命偏低，为了最大限度产生经济效益，有必要使用更好的工艺、更先进的技术、更好的材料对机组结构及有关部件，如桨叶、发电机以及先进控制器等装置的设计进行优化和改进，如德国ENERCON公司在改进桨叶后，叶片的Cp值可达0.5以上，不仅降低了机组的重量和制造成本，系统的可靠性、发电效率与机组的使用寿命也提高了。
2.8新型电力电子技术的广泛使用。
电压源换流器高压直流输电(voltagesourceconverterhighvoltag edirectcurrent，VSC-HVDC)风电场并网技术。采用VSC-HVDC技术联网具有众多优势:各VSC可同时对有功和无功分别独立控制，控制方式灵活多变;采用该技术并网，电网间互不干扰，发送端的频率与接收端的相互独立，可靠性高;输电距离远;功率输送容量大且损耗低;黑暗启动能力强;VSC-HVDC采用全控型器件，可工作于无源逆变方式，VSC无需交流侧提供无功功率，甚至能够起到STATCOM的作用，增强系统的电压稳定性。瑞典是最早利用该技术的国家，目前世界上电压等级最高、输送容量最大、送电距离最远、技术水平最先进的直流输电工程为2010年投入运营的中国自主研发、设计和建设的向家坝—上海±800kV特高压直流输电示范工程。现在丹麦、德国、美国和澳大利亚等国家采用了VSC-HVDC风电场并网技术。中国还处于可行性研究阶段，2010年，上海南汇风电场柔性直流输电示范工程建设已临近尾声，表明中国拥有自主知识产权的该项技术即将成功应用。
1)2.9联网集中控制与管理。
风电一般大规模并列运行，对多个风电场或风电场中多个机组集中管理与联网控制势在必行。采用有线网络，布线铺设困难、成本高、占用空间，尤其当风电场规模扩大或改建时更为突出。风电场远程监控系统应基于无线局域网技术，能方便实现风电机组的联网管理，大大降低维护的难度和运行成本。
3结语
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。
参考文献：
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[4]胡冰.并网型风力发电技术的现状及发展趋势探讨[J].科技创业家,2014,03:137.
论文作者:蒋禹
论文发表刊物:《防护工程》2017年第9期
论文发表时间:2017/9/1
标签：发电机论文; 叶片论文; 机组论文; 桨叶论文; 技术论文; 功率论文; 风电论文; 《防护工程》2017年第9期论文;