简谈直驱永磁风力发电机

  • 2016-10-25 09:56
  • 来源: 包头稀土高新区

  风能是一种丰富、清洁和可再生的一次能源,实现可靠、高效、经济的“风能-机械能-电能”的转化和输送是当前研究的重要课题。针对风力发电控制问题,综述了国内外相关技术研究现状,分析了1.5 MW直驱永磁风力发电机的结构及原理,阐述了发电机组的并网技术。

1 风力发电简介

  风能跟太阳能一样属于一种可再生资源,具有清洁、丰富、一次性等特点,在社会与经济的发展过程中,它已经越来越成为一种被广泛重视的能源。风能的蕴藏量十分大,全世界范围内拥有的风力资源的总量大约有2.74×109 MW,在这些总能中绝大多数能够被我们加以利用,超过能够被开采利用的水资源十倍多全球目前有三大风力发电市场,它们分别是美国、德国、西班牙,而中国一直有储量很大的风能,因为中国国土面积的广阔,所以这些能源的分布很广,再加上我国近几年风电产业技术的飞速发展,中国将成为全球排名第四的风力发电市场。在现在的中国,风力发电行业将会拥有一个十分广阔、充满生机的发展前景,并将处于一个飞速发展的状态中。现在风电装机国产化以及规模化的不断实现,让风力发电的成本有了降低的可能,所以风电产业将成为一些人实现财富梦想的投资目标。  西部地区的新疆维吾尔自治区占总国土面积总数的15%,该区因为其得天独厚的地质条件,可产生丰富的电力资源。在新疆,可以开发利用的风区总面积超过了14万平方公里,主要分布在达坂城、罗布泊、塔城老风口以及小草湖等地,这些风区可装机总量大约在7900多万以上。新疆凭借着丰富的风能资源形成了对国内外风电企业具有强大吸引力的风电市场。有关部门对此做了初步的规划,要在2020年实现风电装机总容量千万千瓦余的突破,达到新疆风电可以大规模向外输送的目标。

2 风力发电机组的构成及分类

  风力发电机组是将风能转化为电能的装置,主要是由风轮,机舱,塔架以及整体的基础底座组合而成的。其中风轮部分包括叶片与轮毂,它的工作原理是叶片本身变为具备空气动力的外部形态,当受到气流冲击的时候就能够形成一定的作用力从而风轮受力开始转动,最后轮毂再把转矩传送至主传动系统内部。机舱部分包括底盘、整流罩以及机舱罩,并且除了主控盘其他关键的零部件都是被安装在底盘上面的。通过塔架的作用,机舱能够升至预先设定的位置,塔架上面还有其他一些重要的部分,包括连接电机与主控器的线路以及人员上下所需的梯子等等。基础底座主要就是由钢筋混凝土堆积建造而成,它能够把整个风力发电机组牢固的树立在地面之上,还要接防雷和接地装置。  依据不同的机组特性和应用目的,归纳风电机组主要类型及其控制系统特点有下述几种:根据可容量,我们可以把发电机组分成三种类型:可容量小于10千瓦的是小型发电机组;可容量在9千瓦以上,99千瓦以下的是中等规模发电机组;可容量在99千瓦以上的是大规模发电机组。以主轴与水平地面之间的关系作为标准可以分为水平轴和垂直轴两种类型的机组。在这两组发电机组中前者是作为成功的一组发电机,它的优势在于可以将风轮安置到高处,以避免地表状态对风轮运行的影响。水平轴发电机主要的构件,例如发电机、调向装置和主轴等都在发电机的舱内。  从机组风轮具备几个叶片这一方面我们能够将风轮分成以下几种类别:单叶片风力发电机组、双叶片风力发电机组、三叶片风力发电机组以及多叶片风力发电机组。按照机组风轮的位置可划分为:上风向风力发电机组、下风向风力发电机组。按照机组驱动链的型式可划分为:直驱型风力发电机组,双馈变速恒频型风力发电机组以及混合型风力发电机组。直驱永磁同步发电机直接与风力机相连接,其转速低、极数多,定、转子尺寸大,呈扁平状结构,具有转动惯量大的特点,有利于平抑因为风力不稳定造成的电势上下跳动。直驱型风力发电机组属于无齿轮箱变桨距变速的类别范畴,风轮轴不通过其他部件和低速发电机之间彼此连接,直驱型风力发电机组要采用全功率变流器。而双馈变速恒频型这一类别的风力发电机组而言,其内部多设置的风轮叶片桨距角不是固定不变的,能够根据实际所需进行适当的调整,并且这一类别的风力发电机组内部选择配备的是双馈型发电机,这种发电机是能够进行速度调节的,同时传输出来的电能也是恒定频率恒定电压的。混合型风力发电机组,混合型风力发电机组采用单级齿轮箱和中速发电机,是直驱型风力发电机组和传统型风力发电机组的混合。风力发电机组虽然有很多种分类,但目前占据主导地位的却是“三叶片、水平轴、上风向、变桨、变速、恒频型风力发电机组”。

3 1.5 MW直驱永磁风力发电机组结构

  1.5 MW机组主要部件包括:叶片、轮毂、变桨系统、发电机转子、发电机定子、偏航系统、测风系统、润滑系统、底座、塔架、电控系统和冷却系统等,如图1所示。  在整个风能发电机组内部叶片是最重要的吸收风力能源的部分,其配置了性能强劲的防雷设备。经变桨轴承实现与轮毂的连接。  轮毂最主要的功能就是把各个叶片牢固的连接起来,同时担负着叶片所输送的所有承载负荷,接着进一步传送至发电机的转动轴部分。轮毂是通过三个呈放射状的喇叭口啮合在一起组成的。  发电机能够把通过叶轮旋转产生的机械动能进一步转化成电力能源。发电机内部配备的电机属于多极永磁同步类别,这种电机具有结构简单、运行可靠、效率高、体积小等优点,永磁同步发电机的额定功率为1580 kW、额定转速20.5rpm、转速范围 9rpm~17.3rpm、极数88极、额定电压690 V。  自动偏航系统能够根据风向标所提供的信号自动确定风力发电机组的方向。当风向发生偏转时,控制系统根据风向标的检测信号,控制偏航驱动装置使机舱偏航对风。偏航系统在工作时带有阻尼控制,按照优化的偏航速度,使机组偏航旋转更加平稳。   机舱内有控制柜、提升机、偏航系统、热交换系统等,外部还有测风系统,机舱的底座可将叶轮和发电机的静态和动态载荷传递到塔架。  风速仪和风向标传感器安装在机舱后部,风向标的信号反映出风机与主风向之间的偏离,当风向持续发生变化时,控制器根据风向标传递的信号控制三个偏航驱动装置转动机舱对准主风向。  制动系统,其内部所配备的是三套彼此独立的叶片变桨系统,就算是其中一套变桨系统发生问题无法顺桨,其他两个叶片也可以独立的完成变桨空气制动从而确保机组能够正常的停止运行。液压制动器承载在电机内部,其关键功能就是把机组维持在所设定的停机地点。电气控制系统具备正常运行控制、运行状态监测和安全保护三个方面的职能。

4 直驱永磁风力发电机组变速恒频并网运行

  随着电力电子技术的发展,电能变换装置在风力发电中得到了广泛的应用并起到了重要的作用。为了提高风能利用效率,必须实现变速运行,即实现变速恒频风力发电系统。采用永磁同步发电机作为风力发电机,将交流电变换为直流电,再经适当控制的逆变器将其转化为恒频、恒压的交流电,然后再经升压变压器接入电网,实现并网后逐步改变逆变器调制信号使逆变器输出电压相位超前,从而逐步增大风力发电机向电网的输送功率,如图2所示。  由于电力电子变流装置可以实现电压、频率的变换,因此,在发电机变速运行情况下,无论其发出的电能具有怎样的电压和频率,都可以用变流装置进行变换,然后并网,实现了变速运行,风能利用效率较高,而且经过变流装置并网,使得机电系统解耦,不存在同步电机的功角稳定问题,变流装置还具有一定的无功功率控制能力,改善了风力发电的电压问题。变速恒频风力发电系统的一个重要优点是可使风力机在大风区域内以最好的状态运转。  直驱永磁发电机在变速恒频并网的运行过程中没有发生电流冲击,使得发电系统可以正常运行,究其原因是因为采用了频率变换装置对电流的输出进行调控。因为同步发电机组与电网在运行中不存在工作平率上的联系,所以风轮和发电机在运转的时候可以出现不同的速度,同时可以避免在并网运行中发生任何失误。可以在风电运行体系中通过对阻抗匹配与功率跟踪的使用来对输出电量的负重能力进行调控,这样做可以保证风力发电机组能够以最佳的状态继续运行,尽可能地输送最多的电量给电网。

5 风电控制技术的发展方向

  现如今科学技术的发展让带动了风力发电领域水平的快速提升,风力发电设施设备也逐渐的完善,从目前的情况来看,风力发电主要的发展方向体现为传动技术由结构设计向紧凑、柔性、轻盈化发展等方面;地理区域由陆地逐渐的转向海上,由于我国领海面积辽阔,海岸线延伸长度可观,能够在风力发电领域加以应用的资源充足,因此海上风电场会是未来我国风力发电的重要开发项目。大规模、高集中远距离规模化发展也使风电成本不断下降,逐渐接近常规能源。储能系统在风电并网中的应用,用储能系统优化风电经济性。风电基地的风电场互联——多端直流系统,可实现独立的有功和无功控制,可控性更好,通过多端直流系统互联,可以增加风电场功率输送的可靠性和灵活性。对提高大型风电场并网的可靠性、输电的灵活性、改善交流电网电能质量等,具有重要的理论和实际价值。

6 总结

  本文综述了国内外风力能源的现状及发展前景,风力发电机组系统构成及各类发电机组的特点。结合我国大型风电机组国产化进程,分析了1.5 MW直驱永磁风力发电机组结构及各部分功能,最后阐述了风力发电机组的并网技术。并展望了未来风电控制技术发展的几个趋势。

分享:

责任编辑:王宇

010070230010000000000000011100001119781778