新能源發電技術的進展-資料下載頁

　　

【正文】 式： 水平軸風力發電機（大、中、小型）2 垂直軸風力發電機（大、中、小型）。水平軸風力發電機技術發展的比較快，在世界各地人們已經很早就認識了，大型的水平軸風力發電機已經可以做到35兆瓦，一般由國有大型企業研發生產，應用技術也趨于成熟。小型的水平軸風力發電機一般是一些小型民營企業生產，對研發生產的技術要求比較低，其技術水平也是參差不齊。小型水平軸風力發電機的額定轉速一般在500800r/min，轉速高，產生的噪音大，啟動風速一般在35m/s，由于轉速高，噪音大，故障頻繁，容易發生危險，不適宜在有人居住或經過的地方安裝。垂直軸風力發電機技術發展的較慢一些，因為垂直軸風力發電機對研發生產的技術要求比較高，尤其是對葉片和發電機的要求。近幾年垂直軸風力發電機的技術發展很快，尤其小型的垂直軸風力發電機已經很成熟。小型的垂直軸風力發電機的額定轉速一般在60200r/min，轉速低，產生的噪音很?。梢院雎圆挥嫞?。二． 參數對比：序號 性能 水平軸風力發電機 垂直軸風力發電機 1 發電效率 5060% 70%以上 2 電磁干擾（碳刷）有 無 3 對風轉向機構 有 無 4 變速齒輪箱 10KW以上有 無 5 葉片旋轉空間 較大 較小 抗風能力 弱 強（可抗1214級臺風）7 噪音 560分貝 010分貝 8 啟動風速 高（）低()9 地面投影對人影響 眩暈 無影響 10 故障率 高 維修保養 復雜 簡單 12 轉速 高 低 13 對鳥類影響 大 小 14 電纜絞線問題 有 無（或碳刷損壞問題）發電曲線 凹陷 飽滿第三章 介紹相關風力發電控制技術風力發電機組可以分為兩大類：恒速恒頻機組和變速恒頻機組。風力發電機并入電網運行時，要求風力發電的頻率保持恒定為電網頻率(在我國，電網頻率為50Hz)。恒速恒頻指在風力發電中控制發電機的轉速不變，從而得到頻率恒定的電能；變速恒頻指發電機的轉速隨風速變化而變化，通過一定的控制方法來得到恒頻的電能。一、如今投入實際運行的恒速恒頻機組主要分為2類：一類采用鼠籠式異步發電機。并網后，在電機機械特性的穩定區內運行，異步發電機的轉子速度需要高于同步轉速。當風力機傳給發電機的機械功率隨風速增加時，發電機的輸出功率及其電磁轉矩也相應增大。一般情況下，當轉子速度高于同步轉速3％5％時達到最大值，若超過這個轉速，異步發電機會進入不穩定區，產生的電磁轉矩反而減小，導致轉速迅速升高，引起飛車。另外，異步發電機并網運行后，在向系統輸出有功功率的同時，需要從電網吸收無功功率來建立磁場，它不具有調節和維持機端電壓的能力。最后，由于轉子速度的變化范圍比較小，而風速經常變化，顯然，風能利用系數Cp不能保持在最佳值。另一類采用繞線式異步感應發電機。它的特點是，采用了外接的可變轉子電阻。這種結構最初是由丹麥的Vestas公司提出來的，又稱OptiSlip風力發電系統。通過電力電子變換器調節外接轉子電阻的大小，可以改變異步發電機的轉差率S。相比鼠籠式異步發電機，轉差率S的變化范圍變大了，可達010％。然而，這種系統仍然需要從電網吸收無功功率，另外，轉差功率轉換成了外接轉子電阻的熱能損耗，沒有被有效利用。二、投入實際運行的變速恒頻機組也主要分為2類：一類是繞線轉子雙饋感應發電機系統。這類系統的特點是：在繞線式異步發電機的轉子上連接了一個交直交(ACDCAC)的電力電子變流器。該變流器能夠實現轉子和電網之間的雙向能量流動，轉子側變換器控制異步發電機，網側變換器控制和電網的能量交換。雙饋發電機本質上是同步發電機，所以可以調節雙饋發電機吸收的無功功率。另外，雙饋發電機的轉速運行范圍可以達到70%130％同步轉速，即其轉差率S可以達到30％～30％。另一類是直驅型風力發電系統，、。直驅型風力發電系統中，風輪機與發電機(永磁同步發電機或繞線式感應發電機或繞線式同步發電機)直接相連，無需升速齒輪箱，但是需要直驅多級發電機，其直徑較大。首先將風能轉化為頻率變化、幅值變化的交流電，經過整流之后變為直流，然后經過三相逆變器變換為三相恒頻恒幅交流電連接到電網。通過中間的全功率電力電子變換裝置，對系統有功功率和無功功率進行控制，可以實現最大功率跟蹤，從而能夠實現對風能最高效率的利用。圖24直驅型風力發電系統直驅式永磁同步發電機根據全功率變流器的不同又可分為：（1）不可控整流+DC/DC升壓+PWM電壓源型逆變器型DC/DC環節將整流器輸出的直流電壓提高并保持穩定在合適的范圍內，使得逆變器的輸入電壓穩定，提高運行效率、減小諧波。全控型器件數量較少，控制電路較簡單。圖25直驅型風力發電系統（2）背靠背雙PWM變流器型PWM整流器可同時實現整流和升壓，效率較高，通過電流隔離，機側和網側可以實現各自的控制策略。但是，全控型器件數量多，控制電路復雜，增加了變流系統成本。圖26直驅型風力發電系統三、變槳距直驅型風電機組實現功率調節的途徑和方法永磁直驅式風力發電系統的整體控制框圖如圖31所示，控制系統主要分為三部分：主控制系統、變流器控制系統、變槳距控制系統。變速恒頻同步直驅風力發電機的運行可分為兩個主要方式：最大功率輸出運行和額定功率輸出運行。主控制器根據風力發電機組的運行工況，通過最大風能捕獲算法得到發電機的功率指令來控制變流器的開關動作，從而使風力機捕獲最大的風能；當風速超過額定風速時，變槳系統開始動作，避免風速太大而損壞風力機；變流器系統、變槳系統執行主控制器發給它們的控制指令。圖31永磁S驅式風力發電系統整體控制框圖從圖32中可以看出，在達到額定風速之前，風力發電機運行在最大功率輸出模式，待達到了額定風速之后，風力發電機運行在額定功率輸出模式。圖32 風力發電機運行曲線主控制系統的最大風能跟蹤算法是保證風力機穩定運行的核心，它主要實現風力機的變速、變槳控制。在低風速區，為實現最大風能的跟蹤，風力機的轉速變化與風速變化成正比，以保持最佳葉尖速比，它是通過機側變流器的控制來實現的，而此時控制器將葉片攻角置于零度附近，不作變化；當風速超過額定風速時，風力機要限制功率的輸出，保持額定功率運行，這一階段主要通過變槳距角來控制，變槳距機構發揮作用，調整葉片攻角，將發電機的輸出功率限制在額定值附近。在這兩個階段之間，一般的風力機還有一個恒速區域，到達這個區域后風力機轉速已達到額定速度，但是輸出功率還沒有達到額定功率，不同的風力機在這個階段有不同的控制方案。如圖33，當發電機沒有并入電網的時候(狀態A)，這個時候整個控制系統通過改變槳距角度來改變葉片的轉矩，使得發電機轉速上升到轉速給定值，發電機并網。并網后，控制系統切換到狀態B進行功率控制。圖33 變槳距直驅式風力發電機組控制圖通常情況下，風力機從切入風速到額定風速不是一直保持最桂葉尖速比運行。由于變流器容量和風力機機械強度的約束，風力機設有啟動轉速和額定轉速，在風速不同的情況下，其控制策略完全不同，根據風速的變化進行分區域控制。風力機依據轉速的變化來分區域、分階段控制，以下依據風力機的轉速轉矩曲線來說明永磁直驅式風力發電機組的分區控制原理風力機的轉速轉矩曲線如圖34所示。圖 34 風力機理想的轉速轉矩曲線風力機的分區域控制可以分成四個典型的控制區，在這四個控制區對應著不同的風速范圍，不同的區域的控制方法也不相同。(1)Ⅰ；(2)在最小轉速ω1以上，轉速隨風速的改變而改變，風力機運行在最佳葉尖速在切入風速以上的低風速區域，風力機以最小轉速ω1，恒轉矩運行在區域比，這個區域風能利用系數最大，如圖34所示區域Ⅱ，也即是最大風能跟蹤(MPPT)模式；(3)受風力機的機械強度和變流器的電壓、容量的限制，風力機運行在轉速ω3時，達到區域Ⅱ模式的最大轉速，這時風速還沒有達到額定風速，但必須保持額定轉速運行而不能超過額定轉速，這個恒速運行階段一直到風力機輸出額定功率為止，即區域Ⅲ模式；(4)風力機運行到H點達到額定功率，當風速超過額定風速后，變槳系統啟動，以控制風力機運行在額定功率，即區域Ⅳ模式。(5)當風力機的轉速超過最大安全轉速ω5時，要求風力機必須安全停機。從圖28的轉速轉矩曲線可以看出，在風力機控制的前三個階段，風力機轉速控制都是低于額定風速下的變速控制，也就是通過控制發電機組的輸出轉矩來實現風力機的變速控制。在H點，風力機運行到額定轉速，風速若繼續增大，風力機也自然會增速，為控制風力發電機組的輸出功率為額定功率，變槳系統開始動作。為了防止風力機在變速控制與變槳控制之間頻繁切換，為變槳控制留了一定轉速的余量，即變槳系統的啟動控制速度為ω4。也就是說風力機轉速在ω3以下進行變速控制，而轉速在ω4以上時進行變槳控制。一般槳距角隨風速變化的情況如圖34所示：圖34槳距角隨風速變化的情況第四章 對風力發電技術發展趨勢的展望隨著現代工業的飛速發展，人類對能源的需求明顯增加，而地球上可利用的常規能源日趨匱乏。據專家預測，煤炭還可開采221年，石油還可開采39年，天然氣只能用60年。這種預測也許不很準確，但常規能源必然是越用越少，總有一天要用盡的。未雨綢繆，我們必須為將來考慮，為子孫后代的能源問題著想，開發利用新能源，實現能源的持續發展，從而保證經濟的可持續發展和社會的不斷進步，最終實現人El、資源、環境的協調發展，已成為各國政府必須解決的大問題。惟一的出路就是有計劃地利用常規能源，節約能源，開發新能源和可再生能源。由此可以推測，21世紀風力發電前景非常廣闊?？茖W技術的長足進步，經濟的快速發展，使人們的生活水平有了新的飛躍。同時，人口的增加，對能源的需求也越來越大，環境污染越來越嚴重，人類必須解決人口、資源、環境的可持續發展問題。從能源、電力市場看，世界能源、電力市場發展最快的已不再是石油、煤和天然氣，風力發電、太陽能發電等可再生能源異軍突起，特別是風力發電，以其無污染，可再生，技術成熟，近幾年以25%的增長速度位居各類能源之首，倍受世人青睞。l999年全世界新增裝機容量36105kW，1zLl998年增加36%，也創下了風電工業史的紀錄。據“綠色和平”組織和歐洲風能協會組織估計，至1J2020年風力發電可提供世界電力需求的l0%，創造l70萬個就業機會，降低全球二氧化碳排放量超過l012t，至lJ2040年這個比例可達20%，甚至更高，有望超過水力發電。因此，國際能源專家預言：21世紀是風力發電的世紀?？梢哉f，綠色能源風力發電將為人類最終解決能源問題帶來新的希望。