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2010-05-29 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)載 瀏覽數(shù):1598
摘要:隨著煤碳、石油等能源的逐漸枯竭,人類越來(lái)越重視可再生能源的利用。而風(fēng)力發(fā)電是可再生能源中最廉價(jià)、最有希望的能源,并且是一種不污染環(huán)境的“綠色能源”。目前國(guó)外數(shù)百千瓦級(jí)的大型風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)商品化,兆瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也即將商品化。
1 前言
隨著煤碳、石油等能源的逐漸枯竭,人類越來(lái)越重視可再生能源的利用。而風(fēng)力發(fā)電是可再生能源中最廉價(jià)、最有希望的能源,并且是一種不污染環(huán)境的“綠色能源”。目前國(guó)外數(shù)百千瓦級(jí)的大型風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)商品化,兆瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也即將商品化。全世界風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘恳殉^(guò)1000萬(wàn)千瓦,單位千瓦造價(jià)為1000美元,發(fā)電成本為5美分/千瓦時(shí),已經(jīng)具有與火力發(fā)電相競(jìng)爭(zhēng)的能力。
我國(guó)的風(fēng)能資源豐富,理論儲(chǔ)量為16億kW,實(shí)際可利用2.5億kW,有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?995年初,國(guó)家計(jì)委、科委、經(jīng)貿(mào)委聯(lián)合發(fā)表了《中國(guó)新能源和可再生能源發(fā)展綱要(1996~2010)》。1996年3月,國(guó)家計(jì)委又制定了以國(guó)產(chǎn)化帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)化的風(fēng)電發(fā)展計(jì)劃,即有名的“乘風(fēng)計(jì)劃”,為我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)國(guó)產(chǎn)化指明了方向,創(chuàng)造了條件。同時(shí),我國(guó)也是利用風(fēng)能資源進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)力提水較早的國(guó)家,到1996年底,我國(guó)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組保有量達(dá)15萬(wàn)臺(tái),年生產(chǎn)能力為3萬(wàn)臺(tái),均居世界首位。
2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的類型
2.1 恒速恒頻與變速恒頻
在風(fēng)力發(fā)電中,當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí),要求風(fēng)電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致,即保持頻率恒定。恒速恒頻即在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中,保持風(fēng)車的轉(zhuǎn)速(也即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速)不變,從而得到恒頻的電能。在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中讓風(fēng)車的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化,而通過(guò)其它控制方式來(lái)得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻。
2.2 兩種類型機(jī)組的性能比較
由于風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比,當(dāng)風(fēng)速在一定范圍變化時(shí),如果允許風(fēng)車做變速運(yùn)動(dòng),則能達(dá)到更好利用風(fēng)能的目的。風(fēng)車將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的效率可用輸出功率系數(shù)CP來(lái)表示,CP在某一確定的風(fēng)輪周速比λ(槳葉尖速度與風(fēng)速之比)下達(dá)到最大值。恒速恒頻機(jī)組的風(fēng)車轉(zhuǎn)速保持不變,而風(fēng)速又經(jīng)常在變化,顯然CP不可能保持在最佳值。變速恒頻機(jī)組的特點(diǎn)是風(fēng)車和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率。由于風(fēng)車的轉(zhuǎn)速可變,可以通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂疲癸L(fēng)車的周速比處于或接近最佳值,從而最大限度地利用風(fēng)能發(fā)電。
2.3 恒速恒頻機(jī)組的特點(diǎn)
目前,在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用最多的異步發(fā)電機(jī)屬于恒速恒頻發(fā)電機(jī)組。為了適應(yīng)大小風(fēng)速的要求,一般采用兩臺(tái)不同容量、不同極數(shù)的異步發(fā)電機(jī),風(fēng)速低時(shí)用小容量發(fā)電機(jī)發(fā)電,風(fēng)速高時(shí)則用大容量發(fā)電機(jī)發(fā)電,同時(shí)一般通過(guò)變槳距系統(tǒng)改變槳葉的攻角以調(diào)整輸出功率。但這也只能使異步發(fā)電機(jī)在兩個(gè)風(fēng)速下具有較佳的輸出系數(shù),無(wú)法有效地利用不同風(fēng)速時(shí)的風(fēng)能。
2.4 變速恒頻系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
可用于風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻系統(tǒng)有多種:如交一直一交變頻系統(tǒng),交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng),無(wú)刷雙饋電機(jī)系統(tǒng),開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng),磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng),同步異步變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等。這種變速恒頻系統(tǒng)有的是通過(guò)改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的;有的則是發(fā)電機(jī)與電力電子裝置、微機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的。它們各有其特點(diǎn),適用場(chǎng)合也不一樣。為了充分利用不同風(fēng)速時(shí)的風(fēng)能,應(yīng)該對(duì)各種變速恒頻技術(shù)做深入的研究,盡快開發(fā)出實(shí)用的,適合于風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻技術(shù)。
3 恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組的控制
3.1 風(fēng)電機(jī)組的軟啟動(dòng)并網(wǎng)
在風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí),控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)速的變化情況進(jìn)行不間斷的檢測(cè),當(dāng)10分鐘平均風(fēng)速大于起動(dòng)風(fēng)速時(shí),控制風(fēng)電機(jī)組作好切入電網(wǎng)的一切準(zhǔn)備工作:松開機(jī)械剎車,收回葉尖阻尼板,風(fēng)輪處于迎風(fēng)方向。控制系統(tǒng)不間斷地檢測(cè)各傳感器信號(hào)是否正常,如液壓系統(tǒng)壓力是否正常,風(fēng)向是否偏離,電網(wǎng)參數(shù)是否正常等。如10分鐘平均風(fēng)速仍大于起動(dòng)風(fēng)速,則檢測(cè)風(fēng)輪是否已開始轉(zhuǎn)動(dòng),并開啟晶閘管限流軟起動(dòng)裝置快速起動(dòng)風(fēng)輪機(jī),并對(duì)起動(dòng)電流進(jìn)行控制,使其不超過(guò)最大限定值。異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在起動(dòng)時(shí),由于其轉(zhuǎn)速很小,切入電網(wǎng)時(shí)其轉(zhuǎn)差率很大,因而會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)于發(fā)電機(jī)額定電流的5~7倍的沖擊電流,這個(gè)電流不僅對(duì)電網(wǎng)造成很大的沖擊,也會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的壽命。因此在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)過(guò)程中采取限流軟起動(dòng)技術(shù),以控制起動(dòng)電流。當(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時(shí)電流驟然下降,控制器發(fā)出指令,將晶閘管旁路。晶閘管旁路后,限流軟起動(dòng)控制器自動(dòng)復(fù)位,等待下一次起動(dòng)信號(hào)。這個(gè)起動(dòng)過(guò)程約40S左右,若超過(guò)這個(gè)時(shí)間,被認(rèn)為是起動(dòng)失敗,發(fā)電機(jī)將被切出電網(wǎng),控制器根據(jù)檢測(cè)信號(hào),確定機(jī)組是否重新起動(dòng)。
異步風(fēng)電機(jī)組也可在起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速低于同步速時(shí)不并網(wǎng),等接近或達(dá)到同步速時(shí)再切入電網(wǎng),則可避免沖擊電流,也可省掉晶閘管限流軟啟動(dòng)器。
3.2 大小發(fā)電機(jī)的切換控制
在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中,因風(fēng)速的變化而引起發(fā)電機(jī)的輸出功率發(fā)生變化時(shí),控制系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出功率的變化對(duì)大小發(fā)電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)切換,從而提高風(fēng)電機(jī)組的效率。具體控制方法為:
(1) 小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)的切換
在小發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電期間,控制系統(tǒng)對(duì)其輸出功率進(jìn)行檢測(cè),若1秒鐘內(nèi)瞬時(shí)功率超過(guò)小發(fā)電機(jī)額定功率的20%,或2分鐘內(nèi)的平均功率大于某一定值時(shí),則實(shí)現(xiàn)小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)的切換。切換過(guò)程為:首先切除補(bǔ)償電容,然后小發(fā)電機(jī)脫網(wǎng),等風(fēng)輪自由轉(zhuǎn)動(dòng)到一定速度后,再實(shí)現(xiàn)大發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng);若在切換過(guò)程中風(fēng)速突然變小,使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速反而降低的情況下,應(yīng)再將小發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng),重新實(shí)現(xiàn)小發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。
(2) 大發(fā)電機(jī)向小發(fā)電機(jī)的切換
檢測(cè)大發(fā)電機(jī)的輸出功率,若2分鐘內(nèi)平均功率小于某一設(shè)定值(此值應(yīng)小于小發(fā)電機(jī)的額定功率)時(shí),或50S瞬時(shí)功率小于另一更小的設(shè)定值時(shí),立即切換到小發(fā)電機(jī)運(yùn)行。切換過(guò)程為:切除大發(fā)電機(jī)的補(bǔ)償電容器,脫網(wǎng),然后小發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng),計(jì)時(shí)20S,測(cè)量小發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,若20S后未達(dá)到小發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速,則停機(jī),控制系統(tǒng)復(fù)位,重新起動(dòng)。若20S內(nèi)轉(zhuǎn)速已達(dá)到小發(fā)電機(jī)旁路轉(zhuǎn)速則旁路晶閘管軟起動(dòng)裝置,再根據(jù)系統(tǒng)無(wú)功功率情況投入補(bǔ)償電容器。
3.3 變槳距控制方式及其改進(jìn)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)以后,控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速的變化,通過(guò)槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),改變槳葉攻角以調(diào)整輸出電功率,更有效地利用風(fēng)能。在額定風(fēng)速以下時(shí),此時(shí)葉片攻角在零度附近,可認(rèn)為等同于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī),發(fā)
電機(jī)的輸出功率隨風(fēng)速的變化而變化。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速以上時(shí),變槳距機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用,調(diào)整葉片的攻角,保證發(fā)電機(jī)的輸出功率在允許的范圍內(nèi)。
但是,由于自然界的風(fēng)力變幻莫測(cè)。風(fēng)速總是處在不斷地變化之中,而風(fēng)能與風(fēng)速之間成三次方的關(guān)系,風(fēng)速的較小變化都將造成風(fēng)能的較大變化,導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率處于不斷變化的狀態(tài)。對(duì)于變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī),當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速后,變槳距機(jī)構(gòu)為了限制發(fā)電機(jī)輸出功率,將調(diào)節(jié)槳距,以調(diào)節(jié)輸出功率。如果風(fēng)速變化幅度大,頻率高,將導(dǎo)致變槳距機(jī)構(gòu)頻繁大幅度動(dòng)作,使變槳距機(jī)構(gòu)容易損壞;同時(shí),變槳距機(jī)構(gòu)控制的葉片槳距為大慣量系統(tǒng),存在較大的滯后時(shí)間,槳距調(diào)節(jié)的滯后也將造成發(fā)電機(jī)輸出功率的較大波動(dòng),對(duì)電網(wǎng)造成一定的不良影響。
為了減小變槳距調(diào)節(jié)方式對(duì)電網(wǎng)的不良影響,可采用一種新的功率輔助調(diào)節(jié)方式-RCC(Rotor Current Control轉(zhuǎn)子電流控制)方式來(lái)配合變槳距機(jī)構(gòu),共同完成發(fā)電機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)。RCC控制必須使用在線繞式異步發(fā)電機(jī)上,通過(guò)電力電子裝置,控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流,使普通異步發(fā)電機(jī)成為可變滑差發(fā)電機(jī)。RCC控制是一種快速電氣控制方式,用于克服風(fēng)速的快速變化。采用了RCC控制的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī),變槳距機(jī)構(gòu)主要用于風(fēng)速緩慢上升或下降的情況,通過(guò)調(diào)整葉片攻角,調(diào)節(jié)輸出功率;RCC控制單元?jiǎng)t應(yīng)用于風(fēng)速變化較快的情況,當(dāng)風(fēng)速突然發(fā)生變化時(shí),RCC單元調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的滑差,使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)變化,同時(shí)保持轉(zhuǎn)子電流不變,發(fā)電機(jī)的輸出功率也就保持不變。
3.4 無(wú)功補(bǔ)償控制
由于異步發(fā)電機(jī)要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率,使風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)降低。并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般要求其功率因數(shù)達(dá)到0.99以上,所以必須用電容器組進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。由于風(fēng)速變化的隨機(jī)性,在達(dá)到額定功率前,發(fā)電機(jī)的輸出功率大小是隨機(jī)變化的,因此對(duì)補(bǔ)償電容的投入與切除需要進(jìn)行控制。在控制系統(tǒng)中設(shè)有四組容量不同的補(bǔ)償電容,計(jì)算機(jī)根據(jù)輸出無(wú)功功率的變化,控制補(bǔ)償電容器分段投入或切除。保證在半功率點(diǎn)的功率因數(shù)達(dá)到0.99以上。
3.5 偏航與自動(dòng)解纜控制
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