江蘇乃爾風(fēng)電技術(shù)開發(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(xiàn)風(fēng)能-機(jī)械能-電能的可靠性、高效率、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)換和傳輸是重要的研究課題。風(fēng)能和太陽能一樣,是可再生資源,清潔、豐富、一次性。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中,它變成了越來越受到重視的能源。風(fēng)能儲(chǔ)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,分別是美國、德國和西班牙,中國一直有很多風(fēng)力儲(chǔ)備。由于中國幅員廣闊,這些能源分布廣泛,加上中國近年來的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)。在當(dāng)今中國,風(fēng)力發(fā)電行業(yè)將具有非常廣闊和充滿活力的發(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(shè)備容量的國產(chǎn)化和規(guī)?;粩鄬?shí)現(xiàn),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(xiàn)財(cái)富夢想的投資目標(biāo)。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置,主要由風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架和整體基礎(chǔ)座構(gòu)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始旋轉(zhuǎn),最后輪轂將扭矩傳遞到主傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部。機(jī)艙包括底盤、整流蓋和機(jī)艙蓋,除主控制面板外,其他重要部件安裝在底盤上。通過塔架可將機(jī)艙提升到預(yù)定位置,塔架上還有其他重要部件,包括連接電機(jī)和主控制器的線路、人員上下所需的梯子等?;A(chǔ)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(jī)牢牢地安裝在地面上,還可連接防雷接地裝置。
依據(jù)不一樣的機(jī)組特性和應(yīng)用目地,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要類型及其控制系統(tǒng)特性歸納為:依據(jù)容量,我們能夠?qū)l(fā)電機(jī)組歸類為三類型:容量小于10kW的小型發(fā)電機(jī)組;容量小于9kW的99kW的中型發(fā)電機(jī)組;容量小于99KW的大型發(fā)電機(jī)組。根據(jù)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(jī)中,前者是成功的發(fā)電機(jī),其優(yōu)點(diǎn)是將風(fēng)輪放在高處,避免表面狀態(tài)對(duì)風(fēng)輪運(yùn)行的影響。水平軸發(fā)電機(jī)的主要部件,如發(fā)電機(jī)、方向調(diào)節(jié)裝置和主軸,均在發(fā)電機(jī)艙內(nèi)。
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(jù)風(fēng)輪的位置,可分為逆風(fēng)風(fēng)機(jī)和順風(fēng)風(fēng)風(fēng)機(jī)。根據(jù)單元傳動(dòng)鏈的類型,可分為直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)和混合風(fēng)力發(fā)電機(jī)。直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接連接,轉(zhuǎn)速低,極多,固定轉(zhuǎn)子尺寸大,結(jié)構(gòu)扁平,旋轉(zhuǎn)慣量大,有利于穩(wěn)定風(fēng)力不穩(wěn)定帶來的電位波動(dòng)。直行式風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬于無齒輪箱變槳變速類,風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸不通過其他部件與低速發(fā)電機(jī)連接,因此直行式風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)采用全功率變流器。至于雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī),其內(nèi)部安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的槳距角不固定,可根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)調(diào)整。此外,該型風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部選擇雙饋發(fā)電機(jī),可調(diào)節(jié)速度,同時(shí)傳輸?shù)碾娔転楹泐l恒壓?;旌巷L(fēng)力發(fā)電機(jī)采用單級(jí)齒輪箱和中速發(fā)電機(jī),是直行風(fēng)力發(fā)電機(jī)和傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的混合體。風(fēng)力發(fā)電機(jī)有很多種類,但占主導(dǎo)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(jī)。
發(fā)電機(jī)能進(jìn)一步將葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。發(fā)電機(jī)配備的電機(jī)屬于多極永磁同步范疇,具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、效率高、體積小的優(yōu)點(diǎn)。永磁同步發(fā)電機(jī)額定功率1580kW,額定轉(zhuǎn)速20.5rpm,轉(zhuǎn)速范圍9rpm~17.3rpm,極數(shù)88,額定電壓690V。
自動(dòng)偏航系統(tǒng)可根據(jù)風(fēng)向標(biāo)提供的信號(hào)自動(dòng)確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的方向。當(dāng)風(fēng)向偏時(shí),控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向目標(biāo)的檢測信號(hào)控制偏航驅(qū)動(dòng)裝置,使機(jī)艙逆風(fēng)偏航。偏航系統(tǒng)在運(yùn)行中有阻尼控制,使裝置的偏航旋轉(zhuǎn)根據(jù)優(yōu)化的偏航速度更加穩(wěn)定。有控制柜、電梯、偏航系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)等。機(jī)艙內(nèi),外有測風(fēng)系統(tǒng)。機(jī)艙底座可將葉輪和發(fā)電機(jī)的靜、動(dòng)載荷傳遞給塔架。
風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)傳感器設(shè)置在機(jī)艙后部,風(fēng)向標(biāo)信號(hào)反映了鼓風(fēng)機(jī)和主風(fēng)向的偏差。當(dāng)風(fēng)向續(xù)變化時(shí),控制器根據(jù)風(fēng)向標(biāo)傳遞的信號(hào),控制三個(gè)偏航驅(qū)動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)機(jī)艙與主風(fēng)向?qū)R。
制動(dòng)系統(tǒng)配有三個(gè)獨(dú)立的葉片傾斜系統(tǒng)。即使其中一個(gè)槳分系統(tǒng)的劃分失敗,另外兩個(gè)劃分也可以獨(dú)立完成劃分空氣的制動(dòng),確保單元能夠正常停止運(yùn)轉(zhuǎn)。液壓制動(dòng)器安裝在馬達(dá)內(nèi)部,其主要功能是將單元保持在設(shè)定的停止位置。電氣控制系統(tǒng)有正常運(yùn)行控制、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和安全保護(hù)三個(gè)功能。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,電力轉(zhuǎn)換裝置在風(fēng)力發(fā)電中得到了廣泛的應(yīng)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(xiàn)變速運(yùn)行,即實(shí)現(xiàn)變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用永磁同步發(fā)電機(jī),將交流電轉(zhuǎn)換成直流電,然后通過適當(dāng)控制的變頻器轉(zhuǎn)換成恒頻恒壓交流電,然后通過升壓變壓器接入電網(wǎng),使變頻器的調(diào)制信號(hào)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(jī)對(duì)電網(wǎng)的輸送功率。
由于電力電子轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的轉(zhuǎn)換,無論發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率是什么樣的電壓和頻率,都可以通過轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,然后并網(wǎng),實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行,風(fēng)能利用效率高。另外,機(jī)電系統(tǒng)通過變頻器解耦,不存在同步電機(jī)角的穩(wěn)定性。變流器還具備一定的無功功率控制能力,改進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電的電壓問題,變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)就是說能夠力發(fā)電機(jī)在多風(fēng)地區(qū)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。
直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)在變速恒頻并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)無電流沖擊,使發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行。原因是通過變頻裝置控制電流輸出。由于同步發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中沒有與電網(wǎng)連接,風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中可以有不同的速度,同時(shí)也可以避免并聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行中的任何錯(cuò)誤。在風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行系統(tǒng)中,通過阻抗匹配和功率追蹤可以調(diào)節(jié)輸出功率的承載能力,保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在最佳狀態(tài)下繼續(xù)運(yùn)行,盡量向電網(wǎng)輸送最大功率。
如今,科技的發(fā)展導(dǎo)致風(fēng)電水平的快速提高,風(fēng)電設(shè)施和設(shè)備的逐步完善。從目前情況來看,風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展方向體現(xiàn)在傳動(dòng)技術(shù)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向緊湊、靈活、輕量化發(fā)展的地理區(qū)域逐漸從陸地轉(zhuǎn)移到海洋。由于廣闊的領(lǐng)海面積、可觀的海岸線延伸和豐富的可應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的資源,海上風(fēng)力發(fā)電場將是未來中國風(fēng)力發(fā)電的重要發(fā)展項(xiàng)目。大規(guī)模、高集中度、遠(yuǎn)距離、大規(guī)模發(fā)展也使風(fēng)力發(fā)電成本持續(xù)下降,逐漸接近正常能源。儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電和網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用優(yōu)化了風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。風(fēng)力發(fā)電基地多終端直流系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電場的互聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的有效和無效功率控制,具有較好的控制性。多終端直流系統(tǒng)的互聯(lián)可以提高風(fēng)電場電能傳輸?shù)目煽啃院挽`活性。
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