江蘇乃爾風(fēng)電技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司
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風(fēng)能是豐富、清潔、可再生的能源,實(shí)現風(fēng)能-機械能-電能的可靠性、高效率、經(jīng)濟轉換和傳輸是重要的研究課題。風(fēng)能和太陽(yáng)能一樣,是可再生資源,清潔、豐富、一次性。在社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的過(guò)程中,它變成了越來(lái)越受到重視的能源。風(fēng)能儲量非常大,全球風(fēng)力資源總量約為2.74×109兆瓦。這些總能量大部分都可以被我們利用,比可以開(kāi)發(fā)利用的水資源多十倍。目前世界上有三個(gè)風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng),分別是美國、德國和西班牙,中國一直有很多風(fēng)力儲備。由于中國幅員廣闊,這些能源分布廣泛,加上中國近年來(lái)的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)。在當今中國,風(fēng)力發(fā)電行業(yè)將具有非常廣闊和充滿(mǎn)活力的發(fā)展前景,并將處于快速發(fā)展的狀態(tài)。目前,風(fēng)力發(fā)電設備容量的國產(chǎn)化和規模化不斷實(shí)現,可以降低風(fēng)力發(fā)電成本。因此,風(fēng)電行業(yè)將成為一些人實(shí)現財富夢(mèng)想的投資目標。
風(fēng)力發(fā)電機是將風(fēng)能轉換為電能的裝置,主要由風(fēng)輪、機艙、塔架和整體基礎座構成。風(fēng)輪部分包括葉片和輪轂,其工作原理是葉片本身成為空氣動(dòng)力學(xué)的外在形式,受氣流沖擊時(shí)可以形成一定的力,使風(fēng)輪在這種力的作用下開(kāi)始旋轉,最后輪轂將扭矩傳遞到主傳動(dòng)系統內部。機艙包括底盤(pán)、整流蓋和機艙蓋,除主控制面板外,其他重要部件安裝在底盤(pán)上。通過(guò)塔架可將機艙提升到預定位置,塔架上還有其他重要部件,包括連接電機和主控制器的線(xiàn)路、人員上下所需的梯子等。基礎基座主要由鋼筋混凝土堆積而成,可將整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機牢牢地安裝在地面上,還可連接防雷接地裝置。
依據不一樣的機組特性和應用目地,風(fēng)力發(fā)電機組的主要類(lèi)型及其控制系統特性歸納為:依據容量,我們能夠將發(fā)電機組歸類(lèi)為三類(lèi)型:容量小于10kW的小型發(fā)電機組;容量小于9kW的99kW的中型發(fā)電機組;容量小于99KW的大型發(fā)電機組。根據主軸與水平地面的關(guān)系,可分為水平軸和垂直軸兩種單元。在這兩個(gè)發(fā)電機中,前者是成功的發(fā)電機,其優(yōu)點(diǎn)是將風(fēng)輪放在高處,避免表面狀態(tài)對風(fēng)輪運行的影響。水平軸發(fā)電機的主要部件,如發(fā)電機、方向調節裝置和主軸,均在發(fā)電機艙內。
我們可以將風(fēng)力渦輪分為單葉風(fēng)力渦輪、雙葉風(fēng)力渦輪、三葉風(fēng)力渦輪和多葉風(fēng)力渦輪。根據風(fēng)輪的位置,可分為逆風(fēng)風(fēng)機和順風(fēng)風(fēng)風(fēng)機。根據單元傳動(dòng)鏈的類(lèi)型,可分為直驅風(fēng)力發(fā)電機、雙饋變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機和混合風(fēng)力發(fā)電機。直驅式永磁同步發(fā)電機與風(fēng)力發(fā)電機直接連接,轉速低,極多,固定轉子尺寸大,結構扁平,旋轉慣量大,有利于穩定風(fēng)力不穩定帶來(lái)的電位波動(dòng)。直行式風(fēng)力發(fā)電機屬于無(wú)齒輪箱變槳變速類(lèi),風(fēng)力發(fā)電機軸不通過(guò)其他部件與低速發(fā)電機連接,因此直行式風(fēng)力發(fā)電機應采用全功率變流器。至于雙饋變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機,其內部安裝的風(fēng)力發(fā)電機葉片的槳距角不固定,可根據實(shí)際需要適當調整。此外,該型風(fēng)力發(fā)電機內部選擇雙饋發(fā)電機,可調節速度,同時(shí)傳輸的電能為恒頻恒壓。混合風(fēng)力發(fā)電機采用單級齒輪箱和中速發(fā)電機,是直行風(fēng)力發(fā)電機和傳統風(fēng)力發(fā)電機的混合體。風(fēng)力發(fā)電機有很多種類(lèi),但占主導地位的是三葉、水平軸、逆風(fēng)、變槳、變速、恒頻風(fēng)力發(fā)電機。
發(fā)電機能進(jìn)一步將葉輪旋轉產(chǎn)生的機械動(dòng)能轉化為電能。發(fā)電機配備的電機屬于多極永磁同步范疇,具有結構簡(jiǎn)單、運行可靠、效率高、體積小的優(yōu)點(diǎn)。永磁同步發(fā)電機額定功率1580kW,額定轉速20.5rpm,轉速范圍9rpm~17.3rpm,極數88,額定電壓690V。
自動(dòng)偏航系統可根據風(fēng)向標提供的信號自動(dòng)確定風(fēng)力發(fā)電機的方向。當風(fēng)向偏時(shí),控制系統根據風(fēng)向目標的檢測信號控制偏航驅動(dòng)裝置,使機艙逆風(fēng)偏航。偏航系統在運行中有阻尼控制,使裝置的偏航旋轉根據優(yōu)化的偏航速度更加穩定。有控制柜、電梯、偏航系統、熱交換系統等。機艙內,外有測風(fēng)系統。機艙底座可將葉輪和發(fā)電機的靜、動(dòng)載荷傳遞給塔架。
風(fēng)速計和風(fēng)向標傳感器設置在機艙后部,風(fēng)向標信號反映了鼓風(fēng)機和主風(fēng)向的偏差。當風(fēng)向續變化時(shí),控制器根據風(fēng)向標傳遞的信號,控制三個(gè)偏航驅動(dòng)器的旋轉機艙與主風(fēng)向對齊。
制動(dòng)系統配有三個(gè)獨立的葉片傾斜系統。即使其中一個(gè)槳分系統的劃分失敗,另外兩個(gè)劃分也可以獨立完成劃分空氣的制動(dòng),確保單元能夠正常停止運轉。液壓制動(dòng)器安裝在馬達內部,其主要功能是將單元保持在設定的停止位置。電氣控制系統有正常運行控制、運行狀態(tài)監控和安全保護三個(gè)功能。
隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展,電力轉換裝置在風(fēng)力發(fā)電中得到了廣泛的應用,發(fā)揮了重要的作用。為了提高風(fēng)能的利用效率,需要實(shí)現變速運行,即實(shí)現變速恒頻風(fēng)電系統。風(fēng)力發(fā)電機采用永磁同步發(fā)電機,將交流電轉換成直流電,然后通過(guò)適當控制的變頻器轉換成恒頻恒壓交流電,然后通過(guò)升壓變壓器接入電網(wǎng),使變頻器的調制信號逐漸變化,使變頻器在網(wǎng)后輸出電壓相位領(lǐng)先,從而逐漸增大風(fēng)力發(fā)電機對電網(wǎng)的輸送功率。
由于電力電子轉換器可以實(shí)現電壓和頻率的轉換,無(wú)論發(fā)電機產(chǎn)生的功率是什么樣的電壓和頻率,都可以通過(guò)轉換器進(jìn)行轉換,然后并網(wǎng),實(shí)現變速運行,風(fēng)能利用效率高。另外,機電系統通過(guò)變頻器解耦,不存在同步電機角的穩定性。變流器還具備一定的無(wú)功功率控制能力,改進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電的電壓?jiǎn)?wèn)題,變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)就是說(shuō)能夠力發(fā)電機在多風(fēng)地區運行在最佳狀態(tài)。
直驅式永磁發(fā)電機在變速恒頻并網(wǎng)運行時(shí)無(wú)電流沖擊,使發(fā)電系統正常運行。原因是通過(guò)變頻裝置控制電流輸出。由于同步發(fā)電機組在運行過(guò)程中沒(méi)有與電網(wǎng)連接,風(fēng)輪和發(fā)電機在運行過(guò)程中可以有不同的速度,同時(shí)也可以避免并聯(lián)網(wǎng)運行中的任何錯誤。在風(fēng)力發(fā)電運行系統中,通過(guò)阻抗匹配和功率追蹤可以調節輸出功率的承載能力,保證風(fēng)力發(fā)電機組能夠在最佳狀態(tài)下繼續運行,盡量向電網(wǎng)輸送最大功率。
如今,科技的發(fā)展導致風(fēng)電水平的快速提高,風(fēng)電設施和設備的逐步完善。從目前情況來(lái)看,風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展方向體現在傳動(dòng)技術(shù)從結構設計向緊湊、靈活、輕量化發(fā)展的地理區域逐漸從陸地轉移到海洋。由于廣闊的領(lǐng)海面積、可觀(guān)的海岸線(xiàn)延伸和豐富的可應用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的資源,海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)將是未來(lái)中國風(fēng)力發(fā)電的重要發(fā)展項目。大規模、高集中度、遠距離、大規模發(fā)展也使風(fēng)力發(fā)電成本持續下降,逐漸接近正常能源。儲能系統在風(fēng)力發(fā)電和網(wǎng)絡(luò )中的應用優(yōu)化了風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟性。風(fēng)力發(fā)電基地多終端直流系統風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的互聯(lián)可以實(shí)現獨立的有效和無(wú)效功率控制,具有較好的控制性。多終端直流系統的互聯(lián)可以提高風(fēng)電場(chǎng)電能傳輸的可靠性和靈活性。
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