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1.5 MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)綜述
2017-10-18 閱讀(192)
1 風(fēng)力發(fā)電簡介
風(fēng)能跟太陽能一樣屬于一種可再生資源，具有清潔、豐富、一次性等特點(diǎn)，在社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過程中，它已經(jīng)越來越成為一種被廣泛重視的能源。風(fēng)能的蘊(yùn)藏量十分大，*范圍內(nèi)擁有的風(fēng)力資源的總量大約有2.74×109 MW，在這些總能中絕大多數(shù)能夠被我們加以利用，超過能夠被開采利用的水資源十倍多目前有三大風(fēng)力發(fā)電市場，它們分別是美國、德國、西班牙，而中國一直有儲(chǔ)量很大的風(fēng)能，因?yàn)橹袊鴩撩娣e的廣闊，所以這些能源的分布很廣，再加上我國近幾年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，中國將成為*四的風(fēng)力發(fā)電市場。在現(xiàn)在的中國，風(fēng)力發(fā)電行業(yè)將會(huì)擁有一個(gè)十分廣闊、充滿生機(jī)的發(fā)展前景，并將處于一個(gè)飛速發(fā)展的狀態(tài)中?，F(xiàn)在風(fēng)電裝機(jī)國產(chǎn)化以及規(guī)模化的不斷實(shí)現(xiàn)，讓風(fēng)力發(fā)電的成本有了降低的可能，所以風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將成為一些人實(shí)現(xiàn)財(cái)富夢想的投資目標(biāo)。
西部地區(qū)的新疆維吾爾自治區(qū)占總國土面積總數(shù)的15%，該區(qū)因?yàn)槠涞锰飒?dú)厚的地質(zhì)條件，可產(chǎn)生豐富的電力資源。在新疆，可以開發(fā)利用的風(fēng)區(qū)總面積超過了14萬平方公里，主要分布在達(dá)坂城、羅布泊、塔城老風(fēng)口以及小草湖等地，這些風(fēng)區(qū)可裝機(jī)總量大約在7900多萬以上。新疆憑借著豐富的風(fēng)能資源形成了對(duì)國內(nèi)外風(fēng)電企業(yè)具有強(qiáng)大吸引力的風(fēng)電市場。有關(guān)部門對(duì)此做了初步的規(guī)劃，要在2020年實(shí)現(xiàn)風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘壳f千瓦余的突破，達(dá)到新疆風(fēng)電可以大規(guī)模向外輸送的目標(biāo)。
2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成及分類
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，主要是由風(fēng)輪，機(jī)艙，塔架以及整體的基礎(chǔ)底座組合而成的。其中風(fēng)輪部分包括葉片與輪轂，它的工作原理是葉片本身變?yōu)榫邆淇諝鈩?dòng)力的外部形態(tài)，當(dāng)受到氣流沖擊的時(shí)候就能夠形成一定的作用力從而風(fēng)輪受力開始轉(zhuǎn)動(dòng)，zui后輪轂再把轉(zhuǎn)矩傳送至主傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部。機(jī)艙部分包括底盤、整流罩以及機(jī)艙罩，并且除了主控盤其他關(guān)鍵的零部件都是被安裝在底盤上面的。通過塔架的作用，機(jī)艙能夠升至預(yù)先設(shè)定的位置，塔架上面還有其他一些重要的部分，包括連接電機(jī)與主控器的線路以及人員上下所需的梯子等等?；A(chǔ)底座主要就是由鋼筋混凝土堆積建造而成，它能夠把整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組牢固的樹立在地面之上，還要接防雷和接地裝置。
依據(jù)不同的機(jī)組特性和應(yīng)用目的，歸納風(fēng)電機(jī)組主要類型及其控制系統(tǒng)特點(diǎn)有下述幾種：根據(jù)可容量，我們可以把發(fā)電機(jī)組分成三種類型：可容量小于10千瓦的是小型發(fā)電機(jī)組；可容量在9千瓦以上，99千瓦以下的是中等規(guī)模發(fā)電機(jī)組；可容量在99千瓦以上的是大規(guī)模發(fā)電機(jī)組。以主軸與水平地面之間的關(guān)系作為標(biāo)準(zhǔn)可以分為水平軸和垂直軸兩種類型的機(jī)組。在這兩組發(fā)電機(jī)組中前者是作為成功的一組發(fā)電機(jī)，它的優(yōu)勢在于可以將風(fēng)輪安置到高處，以避免地表狀態(tài)對(duì)風(fēng)輪運(yùn)行的影響。水平軸發(fā)電機(jī)主要的構(gòu)件，例如發(fā)電機(jī)、調(diào)向裝置和主軸等都在發(fā)電機(jī)的艙內(nèi)。
從機(jī)組風(fēng)輪具備幾個(gè)葉片這一方面我們能夠?qū)L(fēng)輪分成以下幾種類別：單葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、雙葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以及多葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。按照機(jī)組風(fēng)輪的位置可劃分為：上風(fēng)向風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、下風(fēng)向風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。按照機(jī)組驅(qū)動(dòng)鏈的型式可劃分為：直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，雙饋?zhàn)兯俸泐l型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以及混合型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)直接與風(fēng)力機(jī)相連接，其轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多，定、轉(zhuǎn)子尺寸大，呈扁平狀結(jié)構(gòu)，具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的特點(diǎn)，有利于平抑因?yàn)轱L(fēng)力不穩(wěn)定造成的電勢上下跳動(dòng)。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于無齒輪箱變槳距變速的類別范疇，風(fēng)輪軸不通過其他部件和低速發(fā)電機(jī)之間彼此連接，直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要采用全功率變流器。而雙饋?zhàn)兯俸泐l型這一類別的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，其內(nèi)部多設(shè)置的風(fēng)輪葉片槳距角不是固定不變的，能夠根據(jù)實(shí)際所需進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并且這一類別的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部選擇配備的是雙饋型發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)是能夠進(jìn)行速度調(diào)節(jié)的，同時(shí)傳輸出來的電能也是恒定頻率恒定電壓的?；旌闲惋L(fēng)力發(fā)電機(jī)組，混合型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用單級(jí)齒輪箱和中速發(fā)電機(jī)，是直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和傳統(tǒng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的混合。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雖然有很多種分類，但目前占據(jù)主導(dǎo)地位的卻是“三葉片、水平軸、上風(fēng)向、變槳、變速、恒頻型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組”。
3 1.5 MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)
1.5 MW機(jī)組主要部件包括：葉片、輪轂、變槳系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)定子、偏航系統(tǒng)、測風(fēng)系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、底座、塔架、電控系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等，如圖1所示。
在整個(gè)風(fēng)能發(fā)電機(jī)組內(nèi)部葉片是zui重要的吸收風(fēng)力能源的部分，其配置了性能強(qiáng)勁的防雷設(shè)備。經(jīng)變槳軸承實(shí)現(xiàn)與輪轂的連接。
輪轂zui主要的功能就是把各個(gè)葉片牢固的連接起來，同時(shí)擔(dān)負(fù)著葉片所輸送的所有承載負(fù)荷，接著進(jìn)一步傳送至發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸部分。輪轂是通過三個(gè)呈放射狀的喇叭口嚙合在一起組成的。
發(fā)電機(jī)能夠把通過葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械動(dòng)能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電力能源。發(fā)電機(jī)內(nèi)部配備的電機(jī)屬于多極永磁同步類別，這種電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，永磁同步發(fā)電機(jī)的額定功率為1580 kW、額定轉(zhuǎn)速20.5rpm、轉(zhuǎn)速范圍 9rpm～17.3rpm、極數(shù)88極、額定電壓690 V。
自動(dòng)偏航系統(tǒng)能夠根據(jù)風(fēng)向標(biāo)所提供的信號(hào)自動(dòng)確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的方向。當(dāng)風(fēng)向發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向標(biāo)的檢測信號(hào)，控制偏航驅(qū)動(dòng)裝置使機(jī)艙偏航對(duì)風(fēng)。偏航系統(tǒng)在工作時(shí)帶有阻尼控制，按照優(yōu)化的偏航速度，使機(jī)組偏航旋轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。 機(jī)艙內(nèi)有控制柜、提升機(jī)、偏航系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)等，外部還有測風(fēng)系統(tǒng)，機(jī)艙的底座可將葉輪和發(fā)電機(jī)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷傳遞到塔架。
風(fēng)速儀和風(fēng)向標(biāo)傳感器安裝在機(jī)艙后部，風(fēng)向標(biāo)的信號(hào)反映出風(fēng)機(jī)與主風(fēng)向之間的偏離，當(dāng)風(fēng)向持續(xù)發(fā)生變化時(shí)，控制器根據(jù)風(fēng)向標(biāo)傳遞的信號(hào)控制三個(gè)偏航驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙對(duì)準(zhǔn)主風(fēng)向。
制動(dòng)系統(tǒng)，其內(nèi)部所配備的是三套彼此獨(dú)立的葉片變槳系統(tǒng)，就算是其中一套變槳系統(tǒng)發(fā)生問題無法順槳，其他兩個(gè)葉片也可以獨(dú)立的完成變槳空氣制動(dòng)從而確保機(jī)組能夠正常的停止運(yùn)行。液壓制動(dòng)器承載在電機(jī)內(nèi)部，其關(guān)鍵功能就是把機(jī)組維持在所設(shè)定的停機(jī)地點(diǎn)。電氣控制系統(tǒng)具備正常運(yùn)行控制、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和安全保護(hù)三個(gè)方面的職能。
4 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速恒頻并網(wǎng)運(yùn)行
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電能變換裝置在風(fēng)力發(fā)電中得到了廣泛的應(yīng)用并起到了重要的作用。為了提高風(fēng)能利用效率，必須實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。采用永磁同步發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)，將交流電變換為直流電，再經(jīng)適當(dāng)控制的逆變器將其轉(zhuǎn)化為恒頻、恒壓的交流電，然后再經(jīng)升壓變壓器接入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)后逐步改變逆變器調(diào)制信號(hào)使逆變器輸出電壓相位超前，從而逐步增大風(fēng)力發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)的輸送功率，如圖2所示。
由于電力電子變流裝置可以實(shí)現(xiàn)電壓、頻率的變換，因此，在發(fā)電機(jī)變速運(yùn)行情況下，無論其發(fā)出的電能具有怎樣的電壓和頻率，都可以用變流裝置進(jìn)行變換，然后并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了變速運(yùn)行，風(fēng)能利用效率較高，而且經(jīng)過變流裝置并網(wǎng)，使得機(jī)電系統(tǒng)解耦，不存在同步電機(jī)的功角穩(wěn)定問題，變流裝置還具有一定的無功功率控制能力，改善了風(fēng)力發(fā)電的電壓問題。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可使風(fēng)力機(jī)在大風(fēng)區(qū)域內(nèi)以的狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)。
直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)在變速恒頻并網(wǎng)的運(yùn)行過程中沒有發(fā)生電流沖擊，使得發(fā)電系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，究其原因是因?yàn)椴捎昧祟l率變換裝置對(duì)電流的輸出進(jìn)行調(diào)控。因?yàn)橥桨l(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)在運(yùn)行中不存在工作平率上的，所以風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候可以出現(xiàn)不同的速度，同時(shí)可以避免在并網(wǎng)運(yùn)行中發(fā)生任何失誤?？梢栽陲L(fēng)電運(yùn)行體系中通過對(duì)阻抗匹配與功率跟蹤的使用來對(duì)輸出電量的負(fù)重能力進(jìn)行調(diào)控，這樣做可以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠以好的的狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行，盡可能地輸送zui多的電量給電網(wǎng)。
5 風(fēng)電控制技術(shù)的發(fā)展方向
現(xiàn)如今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展讓帶動(dòng)了風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域水平的快速提升，風(fēng)力發(fā)電設(shè)施設(shè)備也逐漸的完善，從目前的情況來看，風(fēng)力發(fā)電主要的發(fā)展方向體現(xiàn)為傳動(dòng)技術(shù)由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向緊湊、柔性、輕盈化發(fā)展等方面；地理區(qū)域由陸地逐漸的轉(zhuǎn)向海上，由于我國領(lǐng)海面積遼闊，海岸線延伸長度可觀，能夠在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域加以應(yīng)用的資源充足，因此海上風(fēng)電場會(huì)是未來我國風(fēng)力發(fā)電的重要開發(fā)項(xiàng)目。大規(guī)模、高集中遠(yuǎn)距離規(guī)?；l(fā)展也使風(fēng)電成本不斷下降，逐漸接近常規(guī)能源。儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用，用儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性。風(fēng)電基地的風(fēng)電場互聯(lián)——多端直流系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的有功和無功控制，可控性更好，通過多端直流系統(tǒng)互聯(lián)，可以增加風(fēng)電場功率輸送的可靠性和靈活性。對(duì)提高大型風(fēng)電場并網(wǎng)的可靠性、輸電的靈活性、改善交流電網(wǎng)電能質(zhì)量等，具有重要的理論和實(shí)際價(jià)值。
6 總結(jié)
本文綜述了國內(nèi)外風(fēng)力能源的現(xiàn)狀及發(fā)展前景，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)構(gòu)成及各類發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)。結(jié)合我國大型風(fēng)電機(jī)組國產(chǎn)化進(jìn)程，分析了1.5 MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)及各部分功能，zui后闡述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)。并展望了未來風(fēng)電控制技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)趨勢。
