风力发电机组的技术特点及参数

目前我国生产的小型风力发电机按额定功率分为１０种，分别为１００Ｗ、１５０Ｗ、２００Ｗ、３００Ｗ、５００Ｗ、１ｋＷ、２ｋＷ、３ｋＷ、５ｋＷ、１０ｋＷ。其技术特点是：２～３个叶片、侧偏调速、上风向，配套高效永磁低速发电机，再配以尾翼、立杆、底座、地锚和拉线。机组运行平稳、质量可靠，设计使用寿命为１５年。风轮的最大功率系数已从初期的０．３０左右提高到０．３８～０．４２，而且启动风速低，叶片材料已多样化：木质、铁质、铝合金、玻璃钢复合型和全尼龙型等。风轮采用定桨距和变桨距两种，以定桨距居多。发电机选配的是具有低速特性的永磁发电机，永磁材料使用的是稀土材料，使发电机的效率从普通电机的０．５０提高到现在的０．７５以上，有些可以达到０．８２。小型风力发电机组的调向装置大部分是上风向尾翼调向。调速装置采用风轮偏置和尾翼铰接轴倾斜式调速、变桨距调速机构或风轮上仰式调速。功率较大的机组还装有手动刹车机构，以确保风力机在大风或台风情况下的安全。风力发电机组配套的逆变控制器，除可以将蓄电池的直流电转换成交流电的功能外，还具有保护蓄电池的过充、过放、交流卸荷、超载和短路保护等功能，以延长蓄电池的使用寿命。机组的价格较低，且适合于我国的低速地区应用。几种机组型号及技术参数见表３－４。表３－４几种小型风力发电机组型号及技术参数产品型号风轮直径／ｍ叶片数风轮中心高／ｍ起动风速／（ｍ／ｓ）额定风速／（ｍ／ｓ）停机风速／（ｍ／ｓ）额定功率／W额定电压／V配套发电机品质／㎏FD2-100FD2-150FD2.1-200FD2.5-200222.12.522335677333367881840252510015020030028282842铁氧体永磁交流发电机80100150175FD3-500FD4-1KFD5.4-2K345.4333799334888252525500100020004256110钕铁硼永磁交流发电机1852851500FD6.66.631048203000110电刷爪级1500FD7-5KFD7-10K7722121244911.54060500010000220220电容励磁异步电机25003000风电并网三大前沿问题有突破新能源开发和能源危机是当前能源领域两大热点问题。从能源的源头来说，人们把传统化石能源比作“昨天的阳光”，而新能源则是“今天的阳光”，可见人们对新能源的热衷程度。目前来看，由于太阳能发电成本较高，生物质能源有局限性，地热能、潮汐能又很有限，相比之下风电最受宠。然而，风电是一种波动性、间歇性电源，大规模并网运行会对局部电网的稳定运行造成影响。目前，世界风电发达国家都在积极开展大规模风电并网的研究。随着近两年我国大型风电基地建设步伐逐步加快，如何解决大规模风电并网问题迫在眉睫。可再生能源发电实验室：实现风电机组检测零的突破9月底，中国电力科学研究院（以下简称“中国电科院”）可再生能源发电实验室获得中国合格评定国家认可委员会（CNAS）颁发的实验室认可证书，成为国内第一家获得国际互认风电机组测试资质的检测机构，这将有助于规范当前良莠不齐的风电机组制造业。近几年，我国风电发展速度惊人，风电装机容量以每年翻一番的势头迅猛增长。有关专家认为，中国拥有全球最大的风电市场，在短短的几年时间内，国内就诞生了数十家风电机组制造企业。风电机组制造业一派繁荣景象的背后却隐藏着新的问题。一些风电机组生产商由于技术积累不足，投放到市场中的部分风电机组带有质量问题，给并网运行带来了严重的隐患。电力系统对电能质量的要求是非常严格的，必然要求电源运行性能达到相应的标准，更何况风电又是一种波动性、间歇性电源。如果风电不满足电力系统对电能的质量要求，将会给电力系统带来很大问题。记者了解到，由于目前没有风电机组和风电场入网标准和检测标准，绝大部分风电机组的功率曲线、电能质量、有功和无功调节性能、低电压穿越能力等都没有经过有资质机构的检测。今年吉林省电网连续发生40万千瓦风电机组同时切除的情况，其原因就是这些机组不具备低电压穿越能力。还有一些电气化铁路附近的风电场，由于抗干扰能力不强，在火车经过时经常发生机组切除现象。中国电科院副总工程师、IEEE（美国电气及电子工程师学会）电力和能源协会北京分会主席胡学浩告诉记者，风电机组的质量问题是电网安全潜在的威胁，亟需第三方检测机构对出厂前的风电机组进行质量认证，从源头上杜绝不合格的风电机组接入电力系统。为此，中国电科院专门成立了国内首家可再生能源发电实验室，开展风电机组和风电场运行检测的相关工作。“关于上述问题国外有很多经验值得我们借鉴。中国电科院通过中德国际合作项目，联系国外知名测试机构进行培训、购买测试设备，并聘请国际权威专家授课，给可再生能源发电实验室建设提供了关键支撑。”胡学浩说，目前可再生能源发电实验室已经具备了风电机组功率特性测试和电能质量测试能力，完成了金风0.15万千瓦直驱型风电机组和华创0.15万千瓦双馈型风电机组的测试项目，其他测试项目也正在进行中。胡学浩还介绍，下一步可再生能源实验室打算进行风电机组噪声测试、机组机械载荷测试，以及风电机组低电压穿越能力测试等能力建设。风电功率预测系统：风电并网必备技术众所周知，风电具有间歇性和波动性，而电力系统是实时平衡的，风电的波动需要通过常规电源的调节和储能系统来平衡，这是长期困扰风电并网的最大难题。既然风电场的出力主要由风力大小决定而难以人为控制，那么是否可以提前预知风电场的出力呢？如果能做到这一点，风电对电网的影响也会随之变小。对此，胡学浩认为，风电功率是可以预测的，而且是风电并网必备的技术手段之一。通过风电功率预测，可以合理安排常规电源的运行方式，降低电力系统的备用容量，提高电力系统运行的经济性，同时提高电力系统接纳风电的能力。因此，风电功率预测系统必将是今后电网稳定运行、电网调度、电力市场运营等需要的重要技术支持。据胡学浩透露，中国电科院目前正承担着国家科技支撑计划《风电场输出功率预测系统的开发及示范应用》，以及国家电网公司多个科研项目。该院正在进行风电功率预测方法研究并在七个网、省公司建立风电功率预测系统，全部项目将于2009年完成。第一个示范工程项目——吉林电网风电功率预测系统将于近期投入运行。风电并网技术标准：引导风电场规范建设不同电源送出的电力有优劣之分。如果风电质量不达标，电网安全就会受到严重影响。胡学浩分析认为，国家要求电网企业全额收购并网风电，指的也是符合标准的风电，随着近几年风电快速增长，出台风电并网相关的技术标准显得尤为迫切。在胡学浩看来，对风电场并网作出相应的技术规定，一方面能够保证风电场和电力系统的安全稳定运行，明确电网企业和风电开发商的责任和义务，适应我国今后大规模建设风电场的实际需要；另一方面，对国产化风电机组的技术发展方向提供了正确的引导，使国产化风电机组性能逐渐达到国际先进水平。据介绍，从2005年开始，中国电科院就开始着手编制我国《风电场接入电力系统技术规定》和国家电网公司《风电场接入电网技术规定研究》。当年年底，国家质检总局和国家标准化委员会就发布了GB/Z19963-2005《风电场接入电力系统技术规定》。目前中国电科院正在进行该标准的修订工作，使之更适应当前和未来我国风电大规模发展的需求。直驱式风力发电并网变流器装置摘要从控制原理、电路拓扑、技术特点、实验分析等方面简明扼要地阐述了直驱式风力发电并网变流器。此变流器网侧功率因数高，电流谐波失真系数（THD）小，动态响应快，呈电流源特性，易于多单元并联。关键字风力发电；直驱式变流器；电流谐波失真系数（THD）0引言风力发电是目前最具有形成规模化和最具备商业化的可再生能源技术。而实际上风力发电在很大程度上取决于变速恒频发电系统的发展，变速恒频发电系统已经成为MW级以上风力发电机组的主流技术。所谓变速恒频，就是通过调速控制，使风力发电机组风轮转速能够跟随风速的变化，最大限度地提高风能的利用效率，有效降低载荷，同时风轮及其所驱动的电机转速变化时，保证输出的电能频率始终与电网频率一致。变速恒频风力发电系统主要分为双馈式和直驱式两种类型。双馈式由于其变流器串联在双馈发电机的转子绕组中，其容量只有系统总功率的1/4~1/3，有效地降低了系统成本；与双馈式相比，直驱式采用低速永磁同步发电机结构，无齿轮箱（或半直驱式，采用一级齿轮箱），也无滑轮，机械故障少，损耗小，运行效率高，维护成本低，但是，由于直驱式采用系统全功率传输，初始成本相对较高。目前国内许多高校、研究所和企业主要研究、跟踪，消化吸收双馈式并网变流器，而我们公司近年来利用多年研究开发大功率变频器主电路拓扑和回馈并网控制技术的优势，专注直驱式风力发电并网控制技术的开发，成功研制出该产品，并已安装调试于内蒙古包头市，现已成功运行数月，且无故障记录。1控制原理MW级大功率直驱式并网变流器采用多单元并联结构，单个单元的主电路拓扑采用交-直-交电压型结构，如图1或图2所示，图1采用二极管不控整流和Boost升压稳压电路，图2采用PWM全控整流电路。采用图1主电路拓扑，通过Boost升压稳压环节将很好地控制后端逆变器的输入直流电压，即不论二极管不控整流的输出直流电压变化多大，通过Boost升压稳压电路后，其直流电压基本稳定，使后端逆变器调制度范围好，提高运行效率，减小损耗，同时，Boost电路还可以对永磁同步发电机输出侧进行功率因数校正。采用图2主电路拓扑，通过PWM可控整流技术，可以很好地处理发电机端的交流电压不稳、谐波较大和直流侧电压变化大的问题，是最具发展前途的主电路结构方式。两种主电路各有各的优缺点。控制上采用电流内环，电压外环双闭环矢量控制技术。各个单元采用载波移相多重化技术，无须额外增加滤波器，便能使网侧电流谐波失真系数THD＜国标5%的要求。2技术特点山东新风光电子科技发展有限公司利用多年研制低压大功率变频器的主电路拓扑和能量回馈并网技术，成功研制并已成功用于风力发电项目中的直驱式风力发电并网变流器，其技术特点有：1）控制上采用电压电流双闭环矢量控制，呈现电流源特性，电流环是直驱式风力发电并网变流器控制的核心；2）变流器对电网呈现电流源特性，容易做多单元并联，易于大功率化组装，各个单元之间采用多重化载波移相，极大地减小了网侧电流总谐波；3）网侧逆变器采用三电平电路拓扑，适应网侧电压范围广，同时也有益于减小网侧谐波电流；4）MW级变流器需多个单元并联组合，系统控制会自动分组工作，很容易线性化并网回馈功率，易于整个风电项目的系统控制，同时有益于减小电流总谐波；5）并网变流器采用先进的PWM控制技术，可以灵活调节系统的有功和无功功率，减小开关损耗，提高效率，自动使并网功率最大化；6）动态响应快，根据风电整体控制，可以瞬时满足大范围功率变化要求，适应性强；7）具有过热、过流、短路、旁路、网侧电压异常等各种保护功能，具有多种模拟量和数字量接口，具有CAN总线或RS485串行总线等接口，与风电项目中的其它部分连接方便，控制灵活。3实验波形分析图3是并网电流为60A时的网侧电压电流波形图，图4是并网电流为100A时的网侧电压电流波形图。从两图可以看出，网侧电流正弦化，且与电网电压反相，呈现负的单位功率因数，同时也能观察到随着电流的增大，网侧电流的谐波失真系数（THD）越来越小，即整体效率越来越高。4结语直驱式风力发电并网变流器采用交-直-交三电平电压型主电路拓扑，呈控制电流源特性，容易并联，易于大功率化组装，网侧电流正弦化，可以软并网，对电网无冲击，无污染，可以广泛用于风力发电等可再生能源项目中。2007中国风力发电机组总装企业概况（摘登）《风电设备》杂志社主编中国风力发电信息网主编中国农机协会风能设备分会秘书长祁和生一、风电机组制造企业概况截至2007年7月底，国内风电机组制造商共有40家，其中国有、国有控股公司17家，民营制造企业共12家，合资企业7家，外商独资企业4家。全国总装企业基本情况见附表。根据企业的产品产业化落实程度，大致可分为以下三种类型：第一类：产业化落实程度比较好，已基本具备大批量生产能力的风电机组