变桨距主动失速型风力发电机

变桨距主动失速型风力发电机

摘要目前世界市场上风电机主要的调节技术有:定桨距调节风电机技术,变桨距调节风电机技术,主动定桨距调节技术,变速恒频四种。目前,我国风电机采用较多的为定桨距失速调节型技术,这类风电机的容量可以扩大到750kW,GL750变桨距主动失速型风力发电机的国产化应用使我国风机技术向世界领先领域迈进了一大步。

关键词变桨距;主动失速

风能是世界上能源利用中最具价值潜力的可再生能源,是作为未来可持续发展和零污染能源的一线希望。目前,风力发电正处于商业化发展的上升阶段,其相配套的功率凋节控制技术的发展也十分迅猛。风力发电机的风轮是接受风能转换电能的最主要部件,其良好的空气动力学设计、可靠的零部件质量和优越的运转性能是保证风力发电机组正常稳定运行及稳定发电的决定性因素。

1国内目前风力发电机现状

目前,我国风力发电机技术应用现状为:在国家科技部的支持下已开发成功的,并具有自主知识产权的风力发电机组仅为200kW/250kW。该类型机组成功的开发,也是我国定桨距失速调节型风力发电机在技术上获得成功的重要突破。采用该技术的风力发电机的容量已经发展到750kW。因为我国当时的机械基础水平和调节控制都处于相对较低的水平,很难开发出来可靠性高的机组,其中变距系统故障率非常高,导致机组经常发生故障而影响持续发电,因此80年末国内风机基本上都处于停运状态,无法有效形成产业化,严重阻碍了我国清洁能源商业化的推广。

2对比国内同类容量风电机的技术优势

目前,国内同等容量风力发电机组多为定桨距失速调节型,定桨距是指轮毂与叶片是固定连接的,桨距角是固定不变的,即叶片的迎风角度不能随着风速变化而变化。失速型是指叶片翼型本身所具有的失速特性,当风速大于额定风速59米/秒时,气流的攻角增大满足失速条件,在叶片的表面产生涡流,效率随之降低,使发电机的功率输出受到限制。为了在低风速时使风电机组的效率有所提高,一般都要采用双速发电机(即大/小发电机)。在低风速运行时,所用的小电机使叶片具有较高的气动效率,提高了发电机的运行效率。失速调节简单可靠是失速调节型风机的主要特点,输出功率的变化是由风速变化引起的,如果控制系统不作任何控制,而只是采用叶片的被动失速调节,会使控制系统大为减化。但由于其叶片质量较大(与变桨距风机叶片相比较),导致其空气动力学性能不足,因此,诸如叶片、轮毂、塔筒等部件承受应力较大,整个机组的发电效率降低。

随着清洁能源的大范围推广,大大提高了风力发电机组的可靠性,变桨距技术的推广,成为风力发电机组大规模商业化的技术保证。采用全变桨距的风力发电

机组,可以控制起动时的转速,及并网后可的发电功率,显著改善风力发电机组的启动和功率输出性能。风力发电机组的闭环控制系统是由变桨距系统组成,它使风力发电机组控制系统的水平提高到了一个新的高度。

变桨距主动失速型风力发电机将定桨距失速调节与变桨距调节两种技术进行了有机的结合,同时采用了被动失速和桨距调节的特点,即采用了变桨距调节方式,以及叶片的失速优点。近些年国内外都开展了这方面的研究。风电机组控制系统已经开始采用一些新的控制理论。在低风速时,通过变桨使叶片处于可获取最大风功率位置;如果风力发电机发电超过额定功率时,叶片节距主动调节产生失速,使功率处于额定值以下,避免机组在最大功率时长期运行,即使风速不断变化,叶片也只需要进行微调即可保持持其失速状态。在运行过程中,当输出功率小于额定功率时,桨距角保持在0°位置不变,不作任何调节;当发电机输出功率达到额定功率以后,闭环控制系统开始发挥作用,变桨系统将调整桨距角的大小,使发电机的输出功率保持在额定值。由于其叶片节距角是根据发电机输出功率的反馈信号来控制的,不受气流密度变化的影响。无论空气密度如何变化,变桨距系统都能通过调整叶片角度,达到额定功率输出。风电机组叶片如果结冰会使转子运行不平稳,风速仪、风向仪和风速平衡装置如果结冰将影响机组的运行和控制。可通过在发电机内部安装电加热器,改善由于大温差易引起的发电机绕组表面冷凝。制动刹车时,调节叶片相当于空气动力刹车,最大程度地减少了机械刹车对传动系统的影响。主动失速调节型的优点是其延续了定桨距失速型的特点,并在此基础上进行变桨距调节,提高了频率后并入电网。机组在转子设计上采用了变桨距结构,使发电机转速在变桨距系统调节下保持稳定,即发电机转速保持在同步发电转速附近,在最佳的并网时间平稳地并入电网;在额定风速以下时,主要调节发电机反力转矩使转速跟随风速变化,保持最佳叶尖速比以获得最大风能;在额定风速以上时,采用变速与叶片节距双重调节,通过变桨距系统调节限制风力机获取能量,保证发电机功率输出的稳定性,获取良好的动态特性;而快速变化的风速通过变桨距的方式调节来应对,降低频繁动作桨距调节,使传动系统的柔性得到有效提高。

3结束语

容量超过750kW风力发电机组作为陆地风力发电机组的主流型号,我国仅掌握定桨距失速调技术,因此相对于同类型产品,在获得最大风能的同时,又保证发电机功率输出的稳定性方面,变桨距主动失速型风力发电机更具有先进的技术优势,该型号的开发量产提高了国产风力发电机组同行业内的竞争实力,为我国风力发电机组进军国际市场赢得了主动,在该领域内填补了国内空白。

参考文献

[1]施鹏飞.我国风电场将进入大规模发展时期[C].20世纪太阳能新技术(2003年中国太阳能学会学术年会论文集).上海:上海交通大学出版社,2003.

[2]叶枝全,黄继雄,陈严,等.风力机新系列翼型的气动性能研究[J].太阳能学报,2002(2).

[3]董永祺,熊学斌.国产风力发电机FRP叶片一瞥[J].风力发电,2001(4):50-52.

[4]SperaDA.TheBrush Wind Turbine Generator as De2 scribed in Scientific American[R].

研究方向:风力发电机组。