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0引言 能源與環境問題已經成為全球可持續發展面臨的主要問題，日益引起國際社會的廣泛關注，并尋求積極的對策。風能是一種可再生、無污染的綠色能源，是取之不盡、用之不竭的，而且儲量十分豐富。據估計，全球可利用的風能總量在53000TWh/年。風能的大規模開發利用，將會有效減少化石能源的使用、減少溫室氣體排放、保護環境。大力發展風能已經成為各國政府的重要選擇。 在風力發電中，當風力發電機與電網并聯運行時，要求風電頻率和電網頻率保持一致，即風電頻率保持恒定，因此，風力發電系統分為恒速恒頻發電機系統（CSCF系統）和變速恒頻發電機系統（VSCF系統）。恒速恒頻發電機系統是指在風力發電過程中保持發電機的轉速不變從而得到和電網頻率一致的恒頻電能。恒速恒頻系統（CSCF系統）一般來說比較簡單，所采用的發電機主要是同步發電機和鼠籠型感應發電機，前者運行于電機極數和頻率所決定的同步轉速，后者則以稍高于同步轉速的速度運行。變速恒頻發電機系統（VSCF），是指在風力發電過程中發電機的轉速，并以隨風速變化而通過其它的控制方式來得到和電網頻率一致的恒頻電能。 1恒速恒頻發電系統 目前，單機容量為600kW～750kW的風電機組多采用恒速運行方式，這種機組控制簡單，可靠性好，大多采用制造簡單，并網容易，勵磁功率可直接從電網中獲得的籠型異步發電機。恒速風電機組主要有兩種類型：定槳距失速型和變槳距風力機。定槳距失速型風力機利用風輪葉片翼型的氣動失速特性來限制葉片吸收過大的風能，功率調節由風輪葉片來完成，對發電機的控制要求比較簡單。這種風力機的葉片結構復雜，成型工藝難度較大。而變槳距風力機則是通過風輪葉片的變槳距調節機構控制風力機的輸出功率。由于采用的是籠型異步發電機，無論是定槳距還是變槳距風力發電機，并網后發電機磁場旋轉速度由電網頻率所固定，異步發電機轉子的轉速變化范圍很小，轉差率一般為3%~5%，屬于恒速恒頻風力發電機。 1.1定槳距失速控制 定槳距風力發電機組的主要特點是槳葉與輪毅固定連接，當風速變化時，槳葉的迎風角度固定不變。利用槳葉翼型本身的失速特性，在高于額定風速下，氣流的功角增大到失速條件，使槳葉的表面產生紊流，效率降低，達到限制功率的目的。采用這種方式的風力發電系統控制調節簡單可靠，但為了產生失速效應，導致葉片重，結構復雜，機組的整體效率較低，當風速達到一定值時必須停機。 1.2變距調節方式 在目前應用較多的恒速恒頻風力發電系統中，一般情況要維持風力機轉速的穩定，這在風速處于正常范圍之中時可以通過電氣控制而保證，而在風速過大時，輸出功率繼續增大可能導致電氣系統和機械系統不能承受，因此需要限制輸出功率并保持輸出功率恒定。這時就要通過調節葉片的槳距，改變氣流對葉片攻角，從而改變風力發電機組獲得的空氣動力轉矩。由于變槳距調節型風機在低風速時，可使槳葉保持良好的攻角，比失速調節型風機有更好的能量輸出，因此，比較適合于平均風速較低的地區安裝。變槳距調節的另外一個優點是在風速超速時可以逐步變化到無負載的全翼展模式位置，避免停機，增加風機發電量。對變槳距調節的一個要求是其對陣風的反應靈敏性。 1.3主動失速調節 主動失速調節方式是前兩種功率調節方式的組合，吸取了被動失速和變槳距調節的優點。系統中槳葉設計采用失速特性，調節系統采用變槳距調節，從而優化機組功率的輸出。系統遭受強風達到額定功率后，槳葉節距主動向失速方向調節，將功率調整在額定值以下，限制機組最大功率輸出。 隨著風速的不斷變化，槳葉僅需微調即可維持失速狀態。另外，調節槳葉還可實現氣動剎車。這種系統的優點是既有失速特性，又可變槳距調節，提高了機組的運行效率，減弱了機械剎車對傳動系統的沖擊。系統控制容易，輸出功率平穩，執行機構的功率相對較小。 1.4主要缺點 恒速恒頻風力發電機的主要缺點有以下幾點：一是風力機轉速不能隨風速而變，從而降低了對風能的利用率；二是當風速突變時，巨大的風能變化將通過風力機傳遞給主軸、齒輪箱和發電機等部件，在這些部件上產生很大的機械應力;三是并網時可能產生較大的電流沖擊。 目前的恒速機組，大部分使用異步發電機，在發出有功功率的同時，還需要消耗無功功率（通常是安裝電容器，以補償大部分消耗的無功功率）。而現代變速風電機組卻能十分精確地控制功率因數，甚至向電網輸送無功功率，改善系統的功率因數。由于以上原因，變速風電機組越來越受到風電界的重視，特別是在進一步發展的大型機組中將更為引人注目。 當然，決定變速機組設計是否成功的一個關鍵是變速恒頻發電系統及其控制裝置的設計。 2變速恒頻發電系統 利用變速恒頻發電方式，風力機就可以改恒繹技術交流速運行為變速運行，這樣就可能使風輪的轉速隨風速的變化而變化，使其保持在一個恒定的最佳葉尖速比，使風力機的風能利用系數在額定風速以下的整個運行范圍內都處于最大值，從而可比恒速運行獲取更多的能量。尤其是這種變速機組可適應不同的風速區，大大拓寬了風力發電的地域范圍。即使風速躍升時，所產生的風能也部分被風輪吸收，以動能的形式儲存于高速運轉的風輪中，從而避免了主軸及傳動機構承受過大的扭矩及應力，在電力電子裝置的調控下，將高速風輪所釋放的能量轉變為電能，送入電網，從而使能量傳輸機構所受應力比較平穩，風力機組運行更加平穩和安全。 風力發電機變速恒頻控制方案一般有4種： （1）鼠籠式異步發電機變速恒頻風力發電系統； （2）交流勵磁雙饋發電機變速恒頻風力發電系統； （3）無刷雙饋發電機變速恒頻風力發電系統； （4）永磁發電機變速恒頻風力發電系統。 2.1鼠籠式異步發電機變速恒頻風力發電系統 采用的發電機為鼠籠式轉子，其變速恒頻控制策略是在定子電路實現的。由于風速是不斷變化的，導致風力機以及發電機的轉速也是變化的，所以，實際上鼠籠式風力發電機發出的電是頻率變化的，即為變頻的，通過定子繞組與電網之間的變頻器把變頻的電能轉化為與電網頻率相同的恒頻電能。盡管實現了變速恒頻控制，具有變速恒頻的一系列優點，但由于變頻器在定子側，變頻器的容量需要與發電機的容量相同，使得整個系統的成本、體積和重量顯著增加，尤其對于大容量的風力發電系統。 2.2雙饋式變速恒頻風力發電系統 雙饋式變速恒頻風力發電系統常采用的發電機為轉子交流勵磁雙饋發電機，其結構與繞線式異步電機類似。由于這種變速恒頻控制方案是在轉子電路實現的，流過轉子電路的功率是由交流勵磁發電機的轉速運行范圍所決定的轉差功率，該轉差功率僅為定子額定功率的一小部分，所需的雙向變頻器的容量僅為發電機容量的一小部分，這樣該變頻器的成本以及控制難度大大降低。 這種采用交流勵磁雙饋發電機的控制方案除了可實現變速恒頻控制，減少變頻器的容量外，還可實現有功、無功功率的靈活控制，對電網而言可起到無功補償的作用。缺點是交流勵磁發電機仍然有滑環和電刷。 目前已經商用的有齒輪箱的變速恒頻系統，大部分采用繞線式異步電機作為發電機，由于繞線式異步發電機有滑環和電刷，這種摩擦接觸式結構在風力發電惡劣的運行環境中較易出現故障。而無刷雙饋電機定子有兩套級數不同繞組，轉子為籠型結構，無須滑環和電機，可靠性高。這此優點都使得無刷雙饋電機成為當前研究的熱點。但在目前，這種電機在設計和制造上仍然存在著一些難題。 2.3直驅型變速恒頻風力發電系統 近幾年來，直接驅動技術在風電領域得到了重視。這種風力發電機組采用多極發電機與葉輪直接連接進行驅動的方式，從而免去了齒輪箱這一傳統部件，由于其具有很多技術方而的優點，特別是采用永磁發電機技術，其可靠性和效率更高，處于當今國際上領先地位，在今后風電機組發展中將有很大的發展空間。德國在2003年上半年所安裝的風力機中，就有40.9%采用了無齒輪箱系統。直驅型變速恒頻風力發電系統的發電機多采用永磁同步發電機，其轉子為永磁式結構，無需外部提供勵磁電源，提高了效率。其變速恒頻控制也是在定子電路實現的，把永磁發電機發出變頻的交流電通過變頻器轉變為與電網同頻的交流電，因此，變頻器的容量與系統的額定容量相同。 采用永磁發電機可做到風力機與發電機的直接耦合，省去了齒輪箱，即為直接驅動式結構，這樣可大大減少系統運行噪聲，提高可靠性。盡管由于直接耦合，永磁發電機的轉速很低，使發電機體積很大，成本較高，但由于省去了價格更高的齒輪箱，所以，整個系統的成本還是降低了。另外，電勵磁式徑向磁場發電機也可視為一種直驅風力發電機的選擇方案，在大功率發電機組中，它的直徑大而軸向長度小。為了能放置勵磁繞組和極靴，極距必須足夠大，它的輸出交流電頻率通常低于50Hz，必須配備整流逆變器。 直驅式永磁風力發電機的效率高、極距小，況且永磁材料的性價比正得到不斷提升，應用前景十分廣闊。 2.4混合式變速恒頻風力發電系統 直驅式風力發電系統不僅需要低速、大轉矩電機而且需要全功率變流器，為了降低電機設計難度，帶有低變速比齒輪箱的混合型變速恒頻風力發電系統得到實際應用。這種系統可以看成全直驅傳動系統和傳統解決方案的一個折中。發電機是多極的，和直驅設計本質上一樣的，但它更緊湊，相對來說具有更高的速度和更小的轉矩。 2.5其它 開關磁阻發電機和無刷爪極自勵發電機也可以用在風力發電系統中。其中，開關磁阻發電機為雙凸極電機，定子、轉子均為凸極齒槽結構，定子上設有集中繞組，轉子上既無繞組也無永磁體，故機械結構簡單、堅固，可靠性高。無刷爪極自勵發電機與一般同步電機的區別僅在于它的勵磁系統部分。其定子鐵心及電樞繞組與一般同步電機基本相同。由于爪極發電機的磁路系統是一種并聯磁路結構，所有各對極的磁勢均來自一套共同的勵磁繞組，因此與一般同步發電機相比，勵磁繞組所用的材料較省，所需的勵磁功率也較小。幾種變速恒頻控制方案的比較分析如表1所列。 表略 3離網型風力發電機系統 通常，離網型風力發電機組容量較小，均屬小型發電機組。可按照發電容量的大小進行分類，其大小從幾百W至幾十kW不等。自上世紀80年代初開始，中國的小型風力機制造產業，在政府的支持下，尤其是內蒙古自治區政府的大力扶植，得到了引人矚目的發展，十幾萬臺小型風力發電機的生產和推廣應用，為遠離電網的農牧民解決基本的生活用電，尤其是照明和收聽電臺廣播，作出了不開磨滅的貢獻。據統計，在上世紀80年代初期，國內有近百家小型風力發電機制造企業。隨著改革開放的不斷深化以及社會經濟的發展，這些小型風力發電機制造企業經過內部的調整和外部的整合，根據中國農村能源行業協會小型電源專委會的統計，到目前為止，全國有23家小型風力發電機生產企業，2005年共生產小型風力發電機32433臺，裝機容量為12020kW，產值8472萬元，利稅為993萬元。國內生產的小型風力發電機，單機容量從60W到30kW不等。 小型風力發電機按照發電類型的不同進行分類，可分為直流發電機型、交流發電機型。較早時期的小容量風力發電機組一般采用小型直流發電機，在結構上有永磁式及電勵磁式兩種類型。永磁式直流發電機利用永磁鐵提供發電及所需的勵磁磁通；電勵磁式直流發電機則是借助在勵磁線圈內流過的電流產生磁通來提供發電及所需要的勵磁磁通。由于勵磁繞組與電樞繞組連接方式的不同，又可分為他勵與并勵（或自勵）兩種形式。 隨著小型風力發電機組的發展，發電機類型逐漸由直流發電機轉變為交流發電機。主要包括永磁發電機、硅整流自勵交流發電機及電容自勵異步發電機。其中，永磁發電機在結構上轉子無勵磁繞組，不存在勵磁繞組損耗，效率高于同容量的勵磁式發電機；轉子沒有滑環，運轉時更安全可靠；電機重量輕，體積小，工藝簡便，因此在離網型風力發電機中被廣泛應用，但其缺點是電壓調節性能差。硅整流自勵交流發電機是通過與滑環接觸的電刷與硅整流器的直流輸出端相連，從而獲得直流勵磁電流。 但是由于風力的隨機波動會導致發電機轉速的變化，從而引起發電機出口電壓的波動，這將導致硅整流器輸出直流電壓及發電機勵磁電流的變化，并造成勵磁磁場的變化，這樣又會造成發電機出口電壓的波動。因此，為抑制這種連鎖的電壓波動，穩定輸出，保護用電設備及蓄電池，該類型的發電機需要配備相應的勵磁調節器。電容自勵異步發電機是根據異步發電機在并網運行時，電網供給的勵磁電流對異步感應電機的感應電動勢而言是容性電流的特性而設計的。即在風力驅動的異步發電機獨立運行時，未得到此容性電流，須在發電機輸出端并接電容，從而產生磁場建立電壓。為維持發電機端電壓，必須根據負載及風速的變化調整并接電容的數值。我國的小型風力發電機產業總體是在向好的方向展，小型風力發電機及其于太陽能的互補系統在解決邊遠地區無電問題上作出了不可磨滅的貢獻。它的功率比同類太陽能系統來得大，能為更多的負載提供電力，甚至小型生產性負載，它的價位更易為廣大農牧民所接受，如果政府采用小風電或風光互補系統來解決農村無電問題，則政府得投入將比相同功率的太陽能系統少得多。但是，小型風力發電機及其行業在發展中也同樣面臨著困難和挑戰。這些困難和挑戰，既來自產業的內部，也來自產業的外部環境。 4發展趨勢 隨著各國政策的傾斜和科技的不斷進步，世界風力發電發展迅速，表現出了廣闊的前景。未來數年世界風力發展的趨勢可表現為： 4.1風力發電從陸地向海面拓展 海面的廣闊空間和巨大的風能潛力使得風機從陸地移向海面成為一種趨勢。目前只有少數國家建立了海上風電場，但預計今后幾年，歐洲的海上風力發電將會大規模的起飛。 4.2新方案和新技術將不斷被采用 在功率調節方式上，變速恒頻技術和變槳距調節技術將得到更多的應用；在發電機類型上，控制靈活的無刷雙饋型感應發電機和設計簡單的永磁發電機將成為風力發電的新寵；在勵磁電源上，隨著電力電子技術的發展，新型變換器不斷出現，變換器性能得到不斷地改善；在控制技術上，計算機分布式控制技術和新的控制理論將進一步得到應用；在驅動方式上，免齒輪箱的直接驅動技術將更加吸引人們的注意。在技術上，經過不斷發展，世界風力發電機組的逐漸形成了水平軸、三葉片、上風向、管式塔的統一形式。進入21世紀后，隨著電力電子技術、微機控制技術和材料技術的不斷發展，世界風力發電技術得到了飛速發展，主要體現在： （1）單機容量不斷上升國單機容量為SMW的風機己經進入商業化運行階段； （2）變槳距功率調節方式迅速取代定槳距功率調節方式國采用變槳距調節方式避免了定槳距調節方式中超過額定風速發電功率將下降的缺點； （3）變速恒頻方式迅速取代恒速恒頻方式國變速恒頻方式可通過調節機組轉速追蹤最大風能，提高了風力機的運行效率； （4）無齒輪箱系統的直驅方式增多國去掉齒輪箱雖然提高了發電機的設計和制造成本，但有效地提高了發電系統的效率和可靠性。 4.3風力發電機組將更加個性化 適合特定市場和風況的風力機將被更多地推出，目前，德國的Repower公司己經推出了這方面的產品。 4.4從事風力發電的隊伍將近一步增大 隨著對風力發電誘人前景的深入認識和更多優惠政策的出臺，更多的新成員將加入風力發電產業。 5結語 變槳距風力機的起動風速較定槳距風力機低，停機時傳動機械的沖擊應力相對緩和。風機正常工作時主要采用功率控制，對功率調節的速度取決于風機槳距調節系統的靈敏度。在實際應用中，隨著并網型風力發電機組容量的增大，大型風力機的單個葉片己重達數噸，操縱如此巨大的慣性體，并且響應速度要能跟得上風速變化是相當困難的。事實上，如果沒有其他措施的話，只是通過變槳距來調節風力發電機組的功率對高頻風速的變化仍然是無能為力的。因此，變槳距風力發電機組，除了對槳葉進行節距進行控制外，還須通過控制發電機輸出功率來調節整個風力發電機組的轉速，使之在一定范圍內能夠快速響應風速的變化，使風力機的葉尖速比達到最佳，以捕獲最大的風能。這就是近年來所發展的變速恒頻風力發電技術。 比較來看，定槳距失速控制風_t嚙[Z險C納力機機構簡單，造價低，并具有較高的安全系數，利于市場競爭。但失速型葉片本身結構復雜，成型工藝難度也較大。隨著功率增大，葉片加長，所承受的氣動推力增大，葉片的失速動態特性不易控制，使制造更大機組受到限制。變槳距型風力機能使葉片的節距角隨風速而變化，從而使風力機在各種工況下（起動、正常運轉、停機）按最佳參數運行。可使發電機在額定風速以下的工作區段有較大的功率輸出，而在額定風速以上的高風速區段不超載，無需過大容量的發電機等。當然，它的缺點是需要有一套比較復雜的變距調節結構。現在這兩種功率調節方案都在大、中型風力發電機組中得到了廣泛應用。 目前中國風電發展面臨兩個突出的問題，一是風電發展規模迅速擴大，形成巨大的市場空間；二是國產機組缺乏競爭力，進口機組以壓倒的優勢占領了中國風電裝機的主要份額。因此，大型風電機組的國產化是推動我國風電持續發展的根本途徑。 作者簡介 李建林（1976～），男，中國科學院電工研究所博士后，研究方向為變速恒頻風力發電技術。 |
