幾種典型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對比分析

　　0引言

　　能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為全球可持續(xù)發(fā)展面臨的主要問題，日益引起國際社會(huì)的廣泛關(guān)注，并尋求積極的對策。風(fēng)能是一種可再生、無污染的綠色能源，是取之不盡、用之不竭的，而且儲(chǔ)量十分豐富。據(jù)估計(jì)，全球可利用的風(fēng)能總量在53000TWh/年。風(fēng)能的大規(guī)模開發(fā)利用，將會(huì)有效減少化石能源的使用、減少溫室氣體排放、保護(hù)環(huán)境。大力發(fā)展風(fēng)能已經(jīng)成為各國政府的重要選擇。

　　在風(fēng)力發(fā)電中，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，要求風(fēng)電頻率和電網(wǎng)頻率保持一致，即風(fēng)電頻率保持恒定，因此，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分為恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（CSCF系統(tǒng)）和變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（VSCF系統(tǒng)）。恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是指在風(fēng)力發(fā)電過程中保持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變從而得到和電網(wǎng)頻率一致的恒頻電能。恒速恒頻系統(tǒng)（CSCF系統(tǒng)）一般來說比較簡單，所采用的發(fā)電機(jī)主要是同步發(fā)電機(jī)和鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)，前者運(yùn)行于電機(jī)極數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速，后者則以稍高于同步轉(zhuǎn)速的速度運(yùn)行。變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（VSCF），是指在風(fēng)力發(fā)電過程中發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并以隨風(fēng)速變化而通過其它的控制方式來得到和電網(wǎng)頻率一致的恒頻電能。

　　1恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)

　　目前，單機(jī)容量為600kW～750kW的風(fēng)電機(jī)組多采用恒速運(yùn)行方式，這種機(jī)組控制簡單，可靠性好，大多采用制造簡單，并網(wǎng)容易，勵(lì)磁功率可直接從電網(wǎng)中獲得的籠型異步發(fā)電機(jī)。恒速風(fēng)電機(jī)組主要有兩種類型定槳距失速型和變槳距風(fēng)力機(jī)。定槳距失速型風(fēng)力機(jī)利用風(fēng)輪葉片翼型的氣動(dòng)失速特性來限制葉片吸收過大的風(fēng)能，功率調(diào)節(jié)由風(fēng)輪葉片來完成，對發(fā)電機(jī)的控制要求比較簡單。這種風(fēng)力機(jī)的葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成型工藝難度較大。而變槳距風(fēng)力機(jī)則是通過風(fēng)輪葉片的變槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制風(fēng)力機(jī)的輸出功率。由于采用的是籠型異步發(fā)電機(jī)，無論是定槳距還是變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)磁場旋轉(zhuǎn)速度由電網(wǎng)頻率所固定，異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化范圍很小，轉(zhuǎn)差率一般為3%~5%，屬于恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

　　1.1定槳距失速控制

　　定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要特點(diǎn)是槳葉與輪毅固定連接，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度固定不變。利用槳葉翼型本身的失速特性，在高于額定風(fēng)速下，氣流的功角增大到失速條件，使槳葉的表面產(chǎn)生紊流，效率降低，達(dá)到限制功率的目的。采用這種方式的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)簡單可靠，但為了產(chǎn)生失速效應(yīng)，導(dǎo)致葉片重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)組的整體效率較低，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)必須停機(jī)。

　　1.2變距調(diào)節(jié)方式

　　在目前應(yīng)用較多的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，一般情況要維持風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，這在風(fēng)速處于正常范圍之中時(shí)可以通過電氣控制而保證，而在風(fēng)速過大時(shí)，輸出功率繼續(xù)增大可能導(dǎo)致電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)不能承受，因此需要限制輸出功率并保持輸出功率恒定。這時(shí)就要通過調(diào)節(jié)葉片的槳距，改變氣流對葉片攻角，從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩。由于變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)機(jī)在低風(fēng)速時(shí)，可使槳葉保持良好的攻角，比失速調(diào)節(jié)型風(fēng)機(jī)有更好的能量輸出，因此，比較適合于平均風(fēng)速較低的地區(qū)安裝。變槳距調(diào)節(jié)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在風(fēng)速超速時(shí)可以逐步變化到無負(fù)載的全翼展模式位置，避免停機(jī)，增加風(fēng)機(jī)發(fā)電量。對變槳距調(diào)節(jié)的一個(gè)要求是其對陣風(fēng)的反應(yīng)靈敏性。

　　1.3主動(dòng)失速調(diào)節(jié)

　　主動(dòng)失速調(diào)節(jié)方式是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合，吸取了被動(dòng)失速和變槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中槳葉設(shè)計(jì)采用失速特性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化機(jī)組功率的輸出。系統(tǒng)遭受強(qiáng)風(fēng)達(dá)到額定功率后，槳葉節(jié)距主動(dòng)向失速方向調(diào)節(jié)，將功率調(diào)整在額定值以下，限制機(jī)組最大功率輸出。

　　隨著風(fēng)速的不斷變化，槳葉僅需微調(diào)即可維持失速狀態(tài)。另外，調(diào)節(jié)槳葉還可實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)剎車。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是既有失速特性，又可變槳距調(diào)節(jié)，提高了機(jī)組的運(yùn)行效率，減弱了機(jī)械剎車對傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊。系統(tǒng)控制容易，輸出功率平穩(wěn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率相對較小。

　　1.4主要缺點(diǎn)

　　恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要缺點(diǎn)有以下幾點(diǎn)一是風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不能隨風(fēng)速而變，從而降低了對風(fēng)能的利用率；二是當(dāng)風(fēng)速突變時(shí)，巨大的風(fēng)能變化將通過風(fēng)力機(jī)傳遞給主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件，在這些部件上產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力;三是并網(wǎng)時(shí)可能產(chǎn)生較大的電流沖擊。

　　目前的恒速機(jī)組，大部分使用異步發(fā)電機(jī)，在發(fā)出有功功率的同時(shí)，還需要消耗無功功率（通常是安裝電容器，以補(bǔ)償大部分消耗的無功功率）。而現(xiàn)代變速風(fēng)電機(jī)組卻能十分精確地控制功率因數(shù)，甚至向電網(wǎng)輸送無功功率，改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。由于以上原因，變速風(fēng)電機(jī)組越來越受到風(fēng)電界的重視，特別是在進(jìn)一步發(fā)展的大型機(jī)組中將更為引人注目。

　　當(dāng)然，決定變速機(jī)組設(shè)計(jì)是否成功的一個(gè)關(guān)鍵是變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)及其控制裝置的設(shè)計(jì)。