第9章 电力电子技术在风力发电中的应用

第9章电力电子技术在风力发电中的应用风能是清洁、廉价的可再生能源，并且分布广泛，总量十分可观。而风力发电是目前最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的可再生能源发电方式，已受到全球性的广泛关注和高度重视。电力电子技术在风力发电的并网控制中起着重要作用，如定速风电机组的软启动和无功补偿装置，以及变速恒频风电机组的并网变流器。采用电力电子变流器驱动的变速恒频风力发电机组已成为目前风电市场的主力机型，本章主要介绍风力发电的发展、风力发电机组的主要类型、典型风力发电机组的工作原理以及电力电子技术在风力发电中的应用。9.1风力发电概述9.1.1风力发电的发展随着人们对绿色环保能源的需求和对风能认识的提高，风能将成为21世纪的主要能源。地球表面吸收太阳能的不均匀性造成地球表面具有一定的温度差，这种温差引起空气的流动，热空气上升、冷空气下降，空气流动形成了风。空气有一定质量，因此空气流动就具有一定动能，这就是人类可以利用的风能，亦是清洁的、无污染的、取之不尽用之不竭的可再生能源。利用风能，人们可以用来发电、助航、提水灌溉、制热供暖等。人类利用风能的历史可以追溯到公元前，至少有3000年的历史，主要用于机械动力生产。约公元1000多年前，人们就掌握了帆船技术，即靠风帆直接推动来利用风能，然而机械能不能远距离传送，而电能可以利用电网远距离输送，因此转化为电能成为风能的主要利用方式，即利用风轮收集风能（叶片是具有空气动力学外形，在气流推动下产生力矩使风轮绕其轴转动的主要原件），将其转变为旋转的机械能，通过发电机将风轮收集的机械能转变成电能并利用电网远距离输送。但是由于风能具有间歇性且波动较大，其可控性和稳定性不如常规能源。近年来，由于风力发电环境友好、技术成熟、可靠性高、成本低且规模效益显著，已成为发展最快的新型能源。而风力发电的发展过程可以分为以下三个阶段：（1）自十九世纪末至二十世纪60年代末，风能资源的开发尚处于小规模的利用阶段。美国的Brush风机和丹麦的Cour风机被认为是风力发电的先驱。1887-1888年冬，作为美国电力工业的莫基人之一CharlesF.Brush在俄亥俄州市安装了第一台自动运行的风力发电机。这台电机叶轮直径17米，有144个由雪松木制成的叶片，运行了约20年，用来给他家地窖里的蓄电池充电。不过，由于低转速风机效率不可能太高，这台发电机的功率仅为12千瓦。1891年，丹麦物理学家PoulLaCour发现，叶片较少旋转较快的风力发电机效率高于叶片多转速慢的风力发电机。应用这一原理，他设计了一台使用4个叶片、发电能力为25千瓦的风力发电机。丹麦由于能源相对匮乏，所以风电技术得到了持续的发展。到1918年第一次世界大战结束时，丹麦就已经建成了几百个小型风力发电站，总装机容量达3MW。1957年在丹麦Gedser海岸安装的200kW风力发电机，具有三个叶片，带有电动机机械偏航、交流异步发电机、失速型风力机，标志着“丹麦概念”风机的形成。与此同时，在美国、德国各种风机的设计概念也先后出现，虽然一些风力发电机因造价高和可靠性差而逐渐被淘汰，但这一阶段的各种类型风机的试验，为二十世纪七十年代后期的大发展奠定了基础。（2）1973年的石油危机之后，风力发电由小型逐渐向大中型发展。上世纪70年代连续出现了两次能源危机（1973和1979年），世界范围内能源价格一路上涨，风力发电的发展得到一些国家政府大力支持，许多直径超过60米的大型风力发电机被建设起来用于研究和验证。丹麦由Geders风力发电机改良的古典三叶片、上风向风力发电机设计在激烈的竟争中成为商业赢家。丹麦的Tvind2兆瓦风力机，是风力发电机革命中的佼佼者。这台机组是下风向变速风机，叶轮直径为54米，发电机为同步发电机，通过电力电子设备与电网相连。美国加州80年代开始了风能发展计划，成千的风机被密密麻麻的布置在加州的山坡上，出现了加州风电潮。具有代表性的还有德国的GROWIAN（风轮直径100m，3MW），建设时是当时世界最大的，曾引起广泛的关注。但这些大型风机的开发都或多或少的碰到了各种技术问题，而未能长期运行。但在这些研究实践中，积累了大量的技术和经验。1980年以来，国际上风力发电机技术日益走向商业化。随着风机产业商业化的逐渐成熟，丹麦当时一些农用机械生产商，如Vestas，Nordtank和Bonus等开始纷纷进入风机生产行业。由于这些公司有丰富的工程机械知识，因而他们很快就在丹麦的风机行业占据主导地位，进而在世界市场占据重要位置。这些对世界风力发电制造业无疑起着巨大的推动作用。（3）二十世纪90年代后开始进入现代风力发电技术，风力发电开始大规模发展。经过了近百年的技术和经验的积累，加上风机产业的商业化，大型风电机组的技术日渐成熟。大规模的商业应用首先出现在北欧，1995年丹麦建成的赖斯比•合德风电场装有Bonus能源公司的40台600kW型风机，是当时丹麦最大的风电场。恩德公司于1995年制造了世界第一台兆瓦级风力发电机组，而Vistas公司的1.5兆瓦原型风机建于1996年。兆瓦级风机市场真正起飞于1998年，而之前600kW-750kW风电机组是主流机型。从那时起，市场趋势才越来越清晰，即向着更大的项目、更大的风机发展。目前，1.5MW-2.5MW的风电机组已成为市场的绝对主力机型。一般来说，综合风机制造、吊装等因素，单机容量越大，风机单位千瓦的造价就越低。基于经济效益的优势，风机单机容量将朝更大方向发展。德国Repower的5兆瓦和6兆瓦，Enercon的4.5兆瓦和6兆瓦风机已经开始批量生产，并投入运行。美国7MW风电机组已经研制成功，并且研制10MW机组；欧盟正在考虑研制20MW的风电机组。随着大型机组技术的成熟，风电的装机容量在大幅增长，同时风力发电机组由陆地走向了近海。海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，使得近海风力发电技术成为近来研究和应用的热点。多兆瓦级风力发电机组在近海风力发电场的商业化运行是国内外风能利用的新趋势。随着风力发电的发展，欧洲陆地上的风能利用正趋于饱和，海上风力发电场将成其为未来发展的重点。1991年在丹麦南部的洛兰岛以北海域修建了世界上第一个海上风电场，由11台Bonus公司450kW失速型风机组成。随后荷兰、瑞典、英国相继建成了自己的海上风电场。2010年9月23日，英国东南部的Thanet海上风电场正式开始并网发电。该风电场由100台Vestas的V90风力发电机，总装机容量为300MW，是目前世界上最大的海上风电场。在欧洲之外，中国上海东海大桥10万kW风电场的成功并网运行，标志着我国成功迈出了海上风电发展的第一步。在过去的20年里，风电发展不断超越其预期的发展速度，一直保持着世界增长最快的能源地位。2011年全球风机容量已达238GW，预计全球装机容量2015年将到600GW，2020年将超过1,500GW。我国风力发电已进入大规模稳步发展阶段，从2005年-2009年连续5年风电总装机翻番，实现飞越式发展。2011年中国新增安装风电装机容量17.6GW，累计安装风电装机容量62.3GW，均居世界第一。按照我国“十二五”风电规划，2015年的风电总装机容量为1亿千瓦，而2020年的远期规划为1.8亿千瓦，即未来每年的新增风电装机容量应保持在1000万千瓦以上。建设千万千瓦级风电基地思路的提出和实施，落实了“建设大基地，融入大电网”的发展方针，以使中国到2020年时非化石能源占一次能源比重要达到15%。但“大规模-高集中-高电压-远距离输送”的模式，对电网企业是很大的挑战。9.1.2风力发电机组的构成风力发电系统主要由风轮、齿轮箱、发电机、变流器等设备以及控制系统构成，典型的风力发电系统组成如图9-1所示。风轮首先捕获波动的风能并转换为旋转的机械能，再由发电机将机械能转换为电能后经由变压器馈入电网。风轮由叶片和轮毂和变桨系统组成，如图9-2所示，是吸收风能的单元，用于将空气的动能转换为叶轮转动的机械能。叶片具有空气动力外形，在气流作用下产生力矩驱动风轮转动，通过轮毂将转矩输入到主传动系统。轮毂的作用是将叶片固定在一起，并且承受叶片上传递的各种载荷，然后传递到发电机转动轴上。每个叶片有一套独立的变桨机构，可主动对叶片捕获的风能进行调节。叶片的数量通常为3个，叶片半径越大，旋转速度越慢，兆瓦级风力机的旋转转速一般为10~15rpm。由于风力机转速较慢，因此在其与发电机的连接中需要齿轮箱将低转速转换为高转速。风能风力机齿轮箱发电机电力电子变流器电网用户机械系统电气系统风能→机械能转速匹配机械能→电能并网控制电能传输图9-1风力发电系统主要组成图9-2叶轮(a)双馈风电机组(b)永磁直驱风电机组图9-3机舱的内部结构图9-4齿轮箱齿轮箱、传动链、发电机、和控制柜等等主要设备安装于机舱内，如图9-3所示。机舱用于保护电气设备免受风沙、雨雪、冰雹以及烟雾等恶劣环境的直接侵害，顶部装有风速风向仪。双馈型机舱一般长度在8米以上，宽度和高度在3米以上，一般采用拼装结构；直驱型风力发电机组的机舱较短小，一般整体制造。机舱在偏航系统的驱动下，可实现风轮的自动对风。由于风的方向和速度经常变化，为了使风力机能有效地捕捉风能，设置了偏航装置以跟踪风向的变化，保证风轮基本上始终处于迎风状况。偏航系统采用主动对风齿轮驱动形式，与控制系统相配合，使叶轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高发电效率。通过风向仪和地理方位检测风轮轴线与风向的偏差，采用电力或液压驱动来完成对风。齿轮箱作为风力发电机组中一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机。使用齿轮箱，可以将风力机转子上的较低转速、较高转矩，转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。由于齿轮箱速比较高，并且受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，通常采用一级平行轴加两级行星等多级齿轮箱结构，如图9-4所示，以提高其运行可靠性。发电机将叶轮转动的机械动能转换为电能输送给电网。与其他发电形式相比，风力发电使用的发电机类型较多，既可采用笼型、绕线型的异步发电机，也有采用电励磁和永磁的同步发电机。此外，风力发电机受风的随机性影响，效率低、易过载，并且散热条件差、振动强烈。风力发电机组的电控系统贯穿于风电机组的每个部分，相当于风电系统的神经。电控系统主要包括主控系统、变流器、变桨和偏航控制系统，由控制柜、变流柜、机舱控制柜、三套变桨柜、传感器和连接电缆等组成。其主要作用为：保证风力发电机组的可靠运行，获取最大风能转化效率，以及提供良好的电力质量。其控制内容包括：正常运行控制、安全保护、运行状态监测三个方面的职能。9.1.3风力发电机组的主要类型风力发电机组单机容量从最初的数十千瓦级已经发展到兆瓦级，控制方式从基本单一的定桨、定速控制向变桨距、变速恒频发展。根据机械功率的调节方式、齿轮箱的传动形式和发电机的驱动类型，可对风力发电机组作如下分类。1.按机械功率调节方式分类（1）定桨距控制：桨叶与轮毂固定连接，桨叶的迎风角度不随风速而变化。依靠桨叶的气动特性自动失速，即当风速大于额定风速时，输出功率随风速增加而下降。定桨距风机不能有效利用风能，不能辅助启动。（2）变桨距控制：风速低于额定风速时，保证叶片在最佳攻角状态，以获得最大风能；当风速超过额定风速后，变桨系统减小叶片攻角，保证输出功率在额定范围内。因此，机械功率不完全依靠叶片的气动特性调节，而主要依靠叶片攻角（气流方向与叶片横截面的弦的夹角）调节。在额定风速下，最佳攻角处于桨距角0º附近。（3）主动失速控制：主动失速又称负变距，风速低于额定风速时，叶片的桨距角是固定不变的；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片处于失速状态，限制风轮吸收功率增加，减小功率输出；而当叶片失速导致功率下降，功率输出低于额定功率时，适当调节叶片的桨距角，提高功率输出，可以更加精确地控制功率输出。对于变桨距和主动失速控制方式，叶片和轮毂都通过变桨轴承连接，即都通过变桨实现控制。主动失速控制的敏感性很高，需要跟准确控制桨