國內(nèi)外風力發(fā)電的現(xiàn)狀和前景
I 國外風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀
20 世紀80~90年代,風力發(fā)電技術得到了飛速的發(fā)展并且逐漸成熟。風力發(fā)電憑借它自身的優(yōu)點,已經(jīng)延伸到了電網(wǎng)難以達到的地方,給他們帶來了很多方便。據(jù)全球風能理事(GWEC)發(fā)布的全球風電市場裝機數(shù)據(jù)顯示,全球風電產(chǎn)業(yè) 2011年新增風電裝機容量達四萬一千兆瓦。這一新增容量使全球累計風電裝機達到二十三萬八千兆瓦。這一數(shù)據(jù)表明全球累計裝機實現(xiàn)了兩成多的年增長, 新增裝機增長達到6%。到目前為止, 全球七十多個國家有商業(yè)運營的風電裝機,其中22個國家的裝機容量超過 1GW。據(jù)估計到 2030 年,歐洲風電裝機可達三百億瓦,可滿足歐洲百分之二十的電力需求。
II 國內(nèi)風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀
我國風力資源儲量豐富,分布廣泛。陸上可開發(fā)的儲量為2.53億kW,海上可開發(fā)的儲量為7.5億kW。大規(guī)模、高集中開發(fā),遠距離和高電壓輸送是我國風電發(fā)展的重要特征。近年來,我國風電發(fā)展迅猛,2006-2010 年風電總裝機容量從260萬kW增長到4182.7萬kW,2010年新增風電裝機1600萬kW,累計裝機容量和新增裝機容量均居世界第一。預計2020年我國風電累計裝機可以達到2.3億kW。這意味著未來十年中,風電總裝機容量平均每年需新增1800萬kW。預計每年需新增機組及其配套變流器約9000臺。
風電系統(tǒng)的控制技術
風力發(fā)電系統(tǒng)的運行方式有三種:獨立型、并網(wǎng)型和聯(lián)合型。并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)由風力機控制器、風力機、傳動裝置、勵磁調(diào)節(jié)器、發(fā)動機、變頻器和變壓器等組成。
風力發(fā)電機組包括風力機、 發(fā)電機、變速傳動裝置及相應的控制器等,用來實現(xiàn)風能與電能的能量轉換。風力發(fā)電的關鍵問題是風力機和發(fā)電機的功率和速度控制。
風電機組中將風能轉換成機械能的能量轉換裝置是風力機,它由風輪、迎風裝置和塔架等組成。按結構不同,風力機可分為水平軸式和立軸式兩種;按功率調(diào)節(jié)方式不同,風力機可分為定槳距失速、變槳距和主動失速 3 種。
風電機組中的發(fā)電機將機械能轉化為電能,發(fā)電機在并入電網(wǎng)時必須輸出恒定頻率(一般為50Hz)的電能。按照發(fā)電機轉速的不同,發(fā)電機可分為恒速和變速兩類,其中變速需要通過變頻器來實現(xiàn)。變頻器采用電力電子變流技術和控制技術,將發(fā)電機發(fā)出的頻率變化交流電轉換為與電網(wǎng)頻率相同、能與電網(wǎng)柔性連接的交流電,并且能實現(xiàn)最大風能跟蹤控制。按照拓撲結構的不同,變頻器可分為交-交型、交-直-交型和矩陣型三種;按照變頻器容量的不同可將變頻器分為部分容量和全部容量(全額)兩種。變速傳動裝置可將風輪的低轉速轉換為發(fā)電機的較高轉速,按傳動鏈類型將其分為齒輪箱驅動和直接驅動兩種,其中前者包括單級和多級兩種齒輪箱驅動。
風力發(fā)電機及其風電系統(tǒng)
實現(xiàn)恒速或變速風力發(fā)電系統(tǒng)有許多種方案,所選發(fā)電機的類型主要取決于風電系統(tǒng)的形式。傳統(tǒng)的恒速/變速風電系統(tǒng)共有四種:基于SCIG 的恒速風電系統(tǒng)、基于WRIG 的受限變速風電系統(tǒng)、基于ESC-SCIG 的變速風電系統(tǒng)和基于MMG的變速風電系統(tǒng)。
現(xiàn)代風電系統(tǒng)一般采用變速恒頻技術,這種技術通過變流裝置或改造發(fā)電機結構來實現(xiàn)。現(xiàn)代變速恒頻風電系統(tǒng)共有六種:基于SCIG的風電系統(tǒng)、基于DFIG的風電系統(tǒng)、基于直驅式EESG的風電系統(tǒng)、基于直驅式PMSG的風電系統(tǒng)、基于半直驅PMSG的風電系統(tǒng)和基于PMBDCG的風電系統(tǒng)。
近年來,一些具有商業(yè)化潛力的新型風力發(fā)電機及其風力發(fā)電系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。新型變速恒頻風電系統(tǒng)主要有以下八種:基于 SRG的風電系統(tǒng)、基于BDFIG的風電系統(tǒng)、基于CPG的風電系統(tǒng)、基于HVG的風電系統(tǒng)、基于DWIG的風電系統(tǒng)、基于TFPMG的風電系統(tǒng)、基于DSPMG的風電系統(tǒng)和基于EVT的風電系統(tǒng)。
風力發(fā)電中的關鍵技術
I 并網(wǎng)技術的研究和最大風能的捕獲
并網(wǎng)技術是通過對全功率電力變換器的控制算法來實現(xiàn)控制目的。并網(wǎng)控制方面,部分文獻提出了直流側并網(wǎng)的新方法。在直流電容與DC/AC之間安裝并網(wǎng)開關。并網(wǎng)前并網(wǎng)開關斷開,DC/AC通過限流電阻對電容進行充電,此時發(fā)電機在風力機的帶動下轉速從0上升。當電容充電達到交流電網(wǎng)線電壓幅值時閉合并網(wǎng)開關,同步風力發(fā)電機并網(wǎng)。正常情況下,發(fā)電機轉速從低到高逐漸上升,并在某一轉速下并入電網(wǎng)。當由于某種原因,發(fā)電機在高轉速下脫網(wǎng)需要重新并網(wǎng), 由于此時電容已經(jīng)充電且直流母線電壓高于網(wǎng)側交流線電壓幅值, 因此只要將并網(wǎng)開關閉合就可實現(xiàn)并網(wǎng)。直驅式永磁同步風力發(fā)電機經(jīng)電力電子變換器并入電網(wǎng)以后的控制目標是風速小于額定風速時實現(xiàn)最大風能捕獲, 風速超過額定風速時使系統(tǒng)以額定功率輸出。
最大風能捕獲的目的就是通過適當?shù)目刂疲癸L力機轉速隨風速變化,始終沿著最佳功率曲線運行,從而使風能轉化最大化。最大風能追蹤可以有變槳距調(diào)節(jié),也可以通過調(diào)節(jié)發(fā)電機功率來調(diào)節(jié)轉速以保持最佳葉尖速比實現(xiàn)。出于可行性、經(jīng)濟性和可靠性的考慮,當前使用的主要是通過控制發(fā)電機輸出功率以調(diào)節(jié)其電磁功率,進而調(diào)節(jié)發(fā)電機轉速。
II 低電壓穿越的研究
電網(wǎng)電壓跌落時,由于受變流器通流能力的限制,網(wǎng)側逆變器注入電網(wǎng)功率減小。而此刻機側整流器的功率并沒有改變,造成直流側的過電壓。如果維持直流側電壓穩(wěn)定,則必然造成逆變器過電流。過電壓和過電流都將導致電力電子器件的損壞,為了保護變流器不被損壞,風力發(fā)電機組將在電壓跌落時退出運行。電網(wǎng)穿透率小時,風力發(fā)電機組在電壓跌落時退出運行還是可以接受的。
然而,隨著風力發(fā)電規(guī)模的不斷擴大,若風電機組在電壓跌落時仍然采取被動保護式脫網(wǎng),則會增加整個系統(tǒng)的恢復難度,甚至使故障更加嚴重,最終導致系統(tǒng)其他機組全部解列。目前在風力發(fā)電技術發(fā)展領先的一些國家,如丹麥、德國等已相繼制定了新的電網(wǎng)運行準則, 定量給出了風電系統(tǒng)離網(wǎng)的條件(如最低電壓跌落深度和跌落持續(xù)時間),只有當電網(wǎng)電壓跌落低于規(guī)定曲線以后才允許風力機脫網(wǎng),當電壓在凹陷部分時,發(fā)電機應提供無功功率。這就要求風電系統(tǒng)具有較強的低電壓穿越能力,能方便地為電網(wǎng)提供無功支持。因此必須研究低電壓穿越的措施, 實現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落時風力發(fā)電機不脫網(wǎng)運行。
結論
風電作為我國今后大力重點發(fā)展的3類新能源之一,在今后將具有廣闊的發(fā)展和應用前景,風力發(fā)電在擺脫對化石能源的過度依賴、緩解中國能源緊缺、改善生態(tài)環(huán)境和擴大社會效益等方面將做出較大的貢獻。本文對風力發(fā)電的發(fā)展狀況,如傳統(tǒng)的恒速/變速風電系統(tǒng)、現(xiàn)代變速恒頻風電系統(tǒng)和新型變速恒頻風電系統(tǒng)進行了簡單介紹。隨著風電技術的不斷變革以及機組制造工藝的持續(xù)改進,將來風力發(fā)電的競爭力必定逐漸提升,其發(fā)展前景廣闊。