風(fēng)力發(fā)電機(jī)科技的論文

　　摘 要：利用風(fēng)能來(lái)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(guò)程中涉及的控制技術(shù)進(jìn)行闡述，分析該技術(shù)存在的三個(gè)主要問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)，提出解決相關(guān)問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電 機(jī)械控制 電路控制

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973(2013)012-171-02

　　風(fēng)能資源的開(kāi)發(fā)利用這項(xiàng)技術(shù)，從最早的單機(jī)組運(yùn)行到現(xiàn)在的全國(guó)連網(wǎng)并列運(yùn)行，相應(yīng)的發(fā)電機(jī)組的容量也從開(kāi)始的數(shù)十千瓦級(jí)發(fā)展到海上風(fēng)電場(chǎng)的兆瓦級(jí);對(duì)機(jī)組的機(jī)械控制方式從定槳距失速控制到變槳距運(yùn)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(kāi)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(wèn)題。而控制問(wèn)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(wèn)題。解決問(wèn)題主要可以從以下三個(gè)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(jī)轉(zhuǎn)速不好控制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸入部分存在技術(shù)開(kāi)發(fā)的空間，即從機(jī)械方面考慮改進(jìn)措施，進(jìn)行機(jī)械控制。

　　風(fēng)力發(fā)電的機(jī)型按照并網(wǎng)時(shí)速度是否改變主要分為兩種，恒速恒頻型機(jī)組和變速恒頻型機(jī)組。不論哪種機(jī)型，目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(guò)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換成為動(dòng)能，風(fēng)力機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)后面聯(lián)動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能-機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)換。

　　風(fēng)力機(jī)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?yàn)槿�葉片具有平衡和美觀等優(yōu)良性能。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)其很好的控制，一般在槳葉尖部1.5～2.5m處，設(shè)計(jì)成可調(diào)控的葉尖擾流器，葉尖擾流器起氣動(dòng)剎車(chē)的作用。當(dāng)風(fēng)速過(guò)大時(shí)，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(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。特別當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要脫網(wǎng)停機(jī)時(shí)，它可以用作機(jī)械制動(dòng)，效果特別明顯。

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從定槳距發(fā)展到變槳距經(jīng)歷了很長(zhǎng)一段時(shí)間。早期的定槳距具有以下性能優(yōu)點(diǎn)：采用軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動(dòng)力剎車(chē)技術(shù)、偏航與自動(dòng)解纜技術(shù)，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)問(wèn)題和運(yùn)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(shí)已經(jīng)固定，其功率輸出是由槳葉自身的性能來(lái)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(jī)組的控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)由于風(fēng)速變化引起輸出能量的變化是無(wú)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(jī)組的推廣得到限制。

　　針對(duì)上述特點(diǎn)，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，特別是兆瓦級(jí)機(jī)組(1000kw以上)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)，葉片采用變槳距連接，即葉片與輪轂中間采用可轉(zhuǎn)動(dòng)的推力軸承或?qū)ｉT(mén)為變距機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的`回轉(zhuǎn)支撐聯(lián)接，變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片較薄，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，重量小很多，使得變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，設(shè)計(jì)容易，易于制造大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。這樣風(fēng)力機(jī)可根據(jù)風(fēng)速的變化適時(shí)調(diào)整葉片連接角度，改善葉片周?chē)�的流�?chǎng)分布，即使風(fēng)速不在額定風(fēng)速的工況下，機(jī)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(jī)可以使葉片順槳，保證整個(gè)機(jī)組風(fēng)能利用大大提高。

　　現(xiàn)在，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般都采用變槳距的結(jié)構(gòu)形式。這樣可以在起動(dòng)時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并網(wǎng)后可對(duì)功率進(jìn)行控制，使風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)性能和功率輸出特性都有顯著和改善。機(jī)組的液壓系統(tǒng)作為變距系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一部分，在整個(gè)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(yùn)行自動(dòng)化程度。

　　(2)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。風(fēng)力機(jī)在風(fēng)力的推動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，由于輸入風(fēng)能時(shí)刻在改變，不穩(wěn)定，而且風(fēng)力機(jī)在風(fēng)能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題，再加上受到設(shè)計(jì)制造的局限，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速不能很高，但是傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)要求高，所以連接部分―風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要進(jìn)行技術(shù)方面的改進(jìn)。

　　由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組體積龐大，重量達(dá)到幾噸到幾十噸，工作時(shí)具有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;另一方面，受到風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yùn)行在20～30r/min。機(jī)組容量越大，轉(zhuǎn)速越低。為了在此基礎(chǔ)上發(fā)電機(jī)得到更多的動(dòng)能輸入，需要設(shè)置增速齒輪箱。齒輪布置時(shí)采用沿軸線分布的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。但是由于增加了龐大的機(jī)械設(shè)備，齒輪間存在高速運(yùn)行易磨損的問(wèn)題，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)組(即機(jī)組連接部分不用增速齒輪箱)正在慢慢受到設(shè)計(jì)者的青睞。

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)一般采用異步發(fā)電機(jī)，異步發(fā)電機(jī)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(duì)于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，一般還采用高滑差異步發(fā)電機(jī)和變速恒頻的雙饋異步發(fā)電機(jī)。這樣可以使機(jī)組的運(yùn)行風(fēng)況范圍大大增加即雖然風(fēng)速遠(yuǎn)離額定值，但是發(fā)電機(jī)的效率不會(huì)降低，風(fēng)能利用系數(shù)得到提高的同時(shí)，發(fā)電機(jī)組的噪聲降低。發(fā)出電能的頻率也會(huì)符合電網(wǎng)要求。

　　現(xiàn)在，大型風(fēng)電場(chǎng)一般都采用變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。它的關(guān)鍵技術(shù)在于采用了繞線型異步發(fā)電機(jī)(其轉(zhuǎn)速可以有很大的變化)或同步電機(jī)，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(jī)的并網(wǎng)一般有兩種方式：一種是準(zhǔn)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)�？刂萍夹g(shù)主要任務(wù)是對(duì)最佳葉尖速比的測(cè)量監(jiān)控，使得機(jī)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(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，即直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，輸出電能頻率與電網(wǎng)頻率存在銜接問(wèn)題，即從電力電子方面考慮改進(jìn)措施，進(jìn)行電路控制。

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能頻率可以不為50HZ，但是經(jīng)過(guò)變頻電路處理，使電能質(zhì)量達(dá)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(cè)技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。因?yàn)轱L(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(yuǎn)地區(qū)甚至海上，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般安裝在無(wú)人值守區(qū)，占地面積較大。所以對(duì)輸入功率的限制、風(fēng)輪的主動(dòng)對(duì)風(fēng)以及對(duì)運(yùn)行過(guò)程中故障的檢測(cè)和維護(hù)必須實(shí)行自動(dòng)化控制。分散布置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常要求遠(yuǎn)程監(jiān)控，自動(dòng)控制應(yīng)該實(shí)施運(yùn)行人員設(shè)置的控制策略，保證機(jī)組安全可靠地運(yùn)行。

　　風(fēng)力發(fā)電技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)將是全實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化，在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部可以實(shí)現(xiàn)中央集中控制和遠(yuǎn)程控制�；鹆λ�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(jī)組運(yùn)行參數(shù)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制，以確保運(yùn)行過(guò)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(cè)技術(shù)，時(shí)刻監(jiān)測(cè)風(fēng)速風(fēng)向。根據(jù)對(duì)其變化趨勢(shì)的分析，做出判斷，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

　　總之，隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，基于變槳距技術(shù)的各種變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已經(jīng)在風(fēng)電市場(chǎng)得到推廣。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)在不斷顯示出來(lái)。變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可以在低于額定風(fēng)速時(shí)，跟蹤最佳功率曲線，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率;在高于額定風(fēng)速時(shí)，增加傳動(dòng)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(jì)的電能。

　　參考文獻(xiàn)：

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

　　[2] 王承熙，張?jiān)?風(fēng)力發(fā)電[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

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