1.2风力发电的发展过程
人类很早就开始利用风能,风力机最早出现在3000年前,人们用来碾米和提水第1台水平式风力发电机产生于十二世纪早期的风力发电机采用多桨叶,后来发展成了典型的三叶式。风力发电机最旱是采川定桨距控制,到后期人们为了适应风速的小断变化和提高风能的利川率,研制出了变桨距控制风力发电机。对于功率而言,早期的风力发电机都是以小功率为主,后来风力发电机逐渐往兆瓦级发展,目前国内研制的风力发电机功率可达5兆瓦。早期风力发电机由于安装的原因,都是建造于陆地上的。随着科技的进步,人们开始把风力发电机塔架建在了海上,称之为离岸风力发电机,把储量丰富的海上风能利用起来。与此同时,离岸风力发电机对于风机的维护来讲无疑是增大了难度,所以要求内部元件的有高的可靠性和寿命,同时也在风机中增加了冗余系统。
1.3风力发电变桨控制系统国内外的研究现状
世界上的风力发电发展情况如下:
世界风电厂家VestaS,EnerCon,Gamesa,AeCiona,Dewind,GE,三菱重工等vestas所占份额最大,超过百分之三十,他连同Gamesa都主要采用液压变桨系统多采用电动变桨系统。
我国早在上个世纪七八十年代开始研制风力发电机组,但直到90年代,风力发电才真正从科研走向市场初期研制成功的主要是额定功率为60OKW以下的风力发电机组,近年来开始研制兆瓦级风力发电机组,并且已经取得成功,其制造技术已基本掌握。虽然我国近几年风电发展快,但是相比国外,我国在风力发电技术上的研究比较落后。主要是工艺技术落后,零部件以及大容量的风力发电装置大多数依靠进口,因此我国风电行业有很长的路要走。
国内风力发电机主要采用变桨系统主要采用电动变桨系统。主要有两力面原因: 1、国内风力发电机的生产技术主要是引进德国Repower,Nordex等少一家的技术这些公司主要采用的是电动变桨控制系统。
2、电动变桨系统技术相对简单,而且维护方便。国内的主要风电制造厂家有:金风,华锐,联合动力,广东明阳,上海电气,浙江运达等。
第2章 风力发电变桨系统的原理和结构
2.1 风力发电机的原理
风力发电机是将风能转换为机械能的动力机械,又把机械能转换为电能风力发电利用的是自然能源,是清洁能源。但由于风能受到季节和地理环境的影响.供电的稳定性不如火力发电,所以风力发电有时视为备用电源,但是现在可以把风力发电和其他能源如太阳能发电一起互相补充,或者把风力发电场建立在风能丰富的海上,可克服其供电不稳的缺陷。
发电机组按照传动方式可分为直驱式发电机组和双馈发电机组直驱发电机技术近年来取得了较快的发展,但是目前双馈风力发电机组在行业中占有大部分市场装机容量以双馈风力发电机组为例,如图2-2
风力发电作为清洁能源已经在世界形成一股热潮,因为风力发电没有燃料问题,也不会产生辐射或空气污染。风力发电已经进入到我们的生活当中,除了在风电场,马路边和公园里的路灯上,部分居民房顶上都能看到风力发电机。
图2-2双馈发电机原理图
2.1.1风力发电机的结构
以有齿轮箱双馈大型并网风力发电机组为例,风力发电机的组成有风轮,发电机与增速齿轮箱,偏航系统,变桨系统,变流系统,塔架。 1、风轮
风轮一般由叶片,轮毅,连接螺栓组件,盖板和导流罩组成.。风轮是风力发电机关键的部件,是它把风能转变成机械能。目前大多数风力发电机的风轮由三个叶片组成,虽然早期风力发电机都是有很多叶片,荷兰典型的风车也有4个叶片,到了后期,3叶片结构成为了风力发电机最经典的结构。叶片的材料有木质,铝合金,玻璃钢等,现在的风机叶片都选用玻璃钢。风轮在出厂前经过试装和静平衡试验,风轮的叶片不能互换,所以有的厂家在叶片与轮毅之问做了安装标记,组装时按标记固定叶片，在组装风轮时要注意叶片的旋转方向,一般都是顺时针方向，固定扭矩要严格按照厂商说明书的要求。
风轮的工作原理:风轮旋转时,风轮产生的功率与空气的密度成正比,与风轮直径的平方成正比,与风速的立方成正比。通常,风力发电机风的实际效率一般在O.35至0.45之间。 2、发电机与齿轮箱
双馈发电机电机的结构类似十绕线式感应电机,定子绕组也山具有固定频率的对称三相电源激励,所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励,一般采用交一交变频器或交一直一交变频器供以低频电流。
齿轮箱双馈发电机和直驱发电机最大的区别在于双馈发电机有齿轮箱而直驱发电机没有双馈风力发电机中,风轮轴通常要通过弹性联轴节和增速齿轮箱相连。因为通常情况,风轮的转速较低时,不足以驱动发电机发电,所以要加一个增速环节。 3、偏航控制系统
风力机的偏航系统也称对风装置。其作用在于当风能方向发生变化时,能够旋转风机,快速平稳地对准风向,以便风轮获得最大的风能。大中型风力发电机一般采用电动偏航系统来调整风轮并使其对准风向。偏航系统包括感应风向的风向标,偏航伺服电机,行星齿轮减速器,轴承和制动装置，解缆装置。大多数风力发电机的发电机输出功率的同轴电缆在风力发电机偏航时和风扫同时旋转,
为了防止偏航超出位移过大引起的电缆拧在一起或者拉断电缆,都要设置解缆装置,并增加扭缆传感器以监视电缆的扭转状态。通常我们使用编码器和齿轮限位开关的串联工作来解决该问题。 4、变桨控制系统
通过调整风轮桨叶的节距角来提高风能的利用率,保证发电机以稳定功率输出,在切入风时能够迅速顺桨。
主要应用的变桨系统主要有一两种,一种是液压变桨,另一种是电机驱动变桨，液压变桨系统(HydrauliCPitChControlSysteln)的结构原理:液压变桨系统由液压水泵站,控制阀块,液压油缸,蓄能器，和管路构成。变桨控制器根据功率或者转速信号给出一个电压信号,再通过比例阀控制器转换成一定范围的电流信号,控制比例阀输出流量的大小和方向。变桨距液压缸按比例阀输出的方向和流量操纵桨叶桨距角通常在-5到+88之间变化液压变桨系统的特点:结构简单,元器件寿命长,但是容易存在漏油的情况,所以要求定期对液压油和滤清器进行更换。
电动变桨系统(ElectricPitchControlSystem)的结构原理:电动变桨系统由伺服系统(ServoSystem)(包括伺服电机和驱动器),减速机(gearboX),变桨控制器,编码器和备用电源等构成。
电动变桨系统的特点:电动变桨适用温度范围),响应速度快,而且维护方便国内主要的风机制造)家大都采用电动变桨系统。 5、变流器
变流器通过双馈异步风力发电机的转子进行励磁,使得双馈发电机的定子侧输出电压的幅值,频率和相位与电网相同,并且可根据需要进行有功和无功的独立解拙控制。 6、塔架
风力发电机的塔架牢固的和基础相连,内部通常配有升降机或者助爬器。
2.2风力发电机变桨系统的原理 2.2.1定桨距系统
定桨距风力发电机组的主要结构特点是:桨叶与轮毅的连接是固定的,当风速变化时,桨叶的迎风角度不能随之变化。这个特点给定桨距风力发电机组提出了两个必须解决的问题.首先是当风速高于风轮的额定风速时,桨叶必须能够自动的将功率限制在额定值附近。由于风力发电机上的所有材料的物理特性是有限度的。桨叶的这一特性被称为自动失速性能，其次是运行中的风力发电机组在突然失去电网的情况下,也就是突甩负载的情况下,桨叶自身必须具备足够的制动能力,使风力发电机组能够在大风情况下安全停机然而早期的定桨距风力发电机组风轮并不具备制动能力,脱网时完全依靠安装在低速轴或高速轴上的机械刹车装置进行制动停机。这对以数十千瓦级的机组来说问题不大,但对于大型风力发电机组,特别是兆瓦级以上的风力发电机组,如果只使用机械刹车,就会对整机结构强度产生严重的影响,对整机的结构有很高的要求针对上述问题,桨叶制造商在20世纪70年代用玻璃钢复合材料研制成功了失速性能良好的风力发电机桨叶,解决了定桨距风力发电机组在大风时的功率控制问题;20世纪80年代又将叶尖扰流器成功的应用在风力发电机组上,解决了在突甩电网负载情况下的安全停机问题,使定桨即风力发电机组在近20年的风能开发利用中始终占据主导地位,直而月最新推出的兆瓦级风力发电组仍有机型采用该项技术。但是,定桨距系统对风能的利用效率较低。 2.2.2变桨距系统
变桨距控制系统的通常由变桨控制器通过CAN总线控制伺服电机从而带动减速机调整桨转动,编码器把当前的位置反馈给控制器进行闭环控制,如图2-3。变桨系统的工作原理变桨控制系统是通过改变风机叶片的迎风角,实现对发电机的功率调节的。通过在叶片和轮毅之间安装的变桨驱动电机带动桨叶轴承转动从而改变叶片节距角,由此控制叶片的升力,以达到控制作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。