2010年我國風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的現(xiàn)狀
本文導(dǎo)讀:2010年我國風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的現(xiàn)狀,風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(WECS)技術(shù)成熟,但是低功耗WECS仍然是孤島發(fā)電、微電網(wǎng)系統(tǒng)、分布式發(fā)電等的研究熱點(diǎn)。風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)仍然有重要的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
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內(nèi)容提示:風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(WECS)技術(shù)成熟,但是低功耗WECS仍然是孤島發(fā)電、微電網(wǎng)系統(tǒng)、分布式發(fā)電等的研究熱點(diǎn)。風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)仍然有重要的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(WECS)是沒有完善發(fā)展的電力技術(shù)的主流。風(fēng)能技術(shù)僅僅是從25年前才取得重大進(jìn)步。今天的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是二十年的技術(shù)發(fā)展形成的。除了模塊化和快速安裝,風(fēng)力發(fā)電機(jī)看起來越來越像發(fā)電站。一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量與是二十年前的同等設(shè)備的200多倍(歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)2005)。但是低功耗WECS并沒有因此而失去它的重要性,它仍然是孤島發(fā)電、微電網(wǎng)系統(tǒng)、分布式發(fā)電等的研究熱點(diǎn)。如今,風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)這項(xiàng)成熟的技術(shù)仍然有重要的發(fā)展?jié)摿Α?
1風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)技術(shù)上的問題
各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有關(guān)概念在過去十年中一直變化。最主要的區(qū)別在于電氣設(shè)計(jì)和控制。WECS可以按速度控制和功率控制能力來分類,這就導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的類別有了發(fā)電系統(tǒng)(速度控制)和在額定功率之上為了限制氣動(dòng)力效率而引入的方法(功率控制)的區(qū)別。
速度控制標(biāo)準(zhǔn)將WECS分為兩種:恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)和變速風(fēng)力發(fā)電機(jī);而按功率控制能力WECS分為三類:失速控制風(fēng)力發(fā)電機(jī),變槳距控制控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)和主動(dòng)失速控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
1.1恒速WECS
恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組行業(yè)的先鋒。它們簡單,可靠、電器零部件成本低。恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用感應(yīng)發(fā)電機(jī),直接連接到電網(wǎng)。這使得不論風(fēng)速的大小,為了于電網(wǎng)頻率保持一致,電機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速基本上保持恒定。
1.2變速WECS
變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前最常用的WECS。與恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比,它具有很多優(yōu)勢(shì)。首先最重要的是,發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)頻率之間的解耦使得控制和優(yōu)化運(yùn)行更加靈活。當(dāng)然,這是以電力電子變流器的使用為代價(jià)的,它們是發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間的連接裝置。實(shí)際上,正是由于電力電子變流器,使得變速操作成為可能。在實(shí)現(xiàn)更高的風(fēng)能普及水平方面,由變速操作提供的高可控性是一個(gè)功能強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)(Srensen等,2005年;HansenandHansen,2007年)。
變速操作允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)在最高氣動(dòng)力效率下不斷調(diào)整其轉(zhuǎn)速(加速或減速)。設(shè)計(jì)恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí),是在一種風(fēng)速下實(shí)現(xiàn)最大的氣動(dòng)力效率,而變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以在一個(gè)很寬的風(fēng)速變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大氣動(dòng)力效率。此外,變速運(yùn)行可以為了實(shí)現(xiàn)不同的目標(biāo)而采用先進(jìn)的控制策略,例如減少機(jī)械應(yīng)力,減少噪聲。
功率控制能力指的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)力性能,特別是在功率限制運(yùn)行范圍內(nèi)。所有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都具有某種功率控制功能。
1.3失速控制WECS
功率控制最簡單的形式是在在高風(fēng)速下沒有改變?nèi)~片的幾何形狀通過利用失速效應(yīng)而減少氣動(dòng)力效率。隨著風(fēng)速的增加,旋翼氣動(dòng)力“自然”的驅(qū)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。這種方法的關(guān)鍵在于葉片輪廓的特殊設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)在額定功率附近提供了攤位效應(yīng),而且沒有不期望的氣動(dòng)力特性。這一功率控制方法的缺點(diǎn)是:由風(fēng)力引起了較高的機(jī)械應(yīng)力,隨著空氣密度和電網(wǎng)頻率的變化,協(xié)助啟動(dòng)和最大穩(wěn)態(tài)功耗的值并沒有變化。
1.4變槳距控制WECS和主動(dòng)失速控制WECS
另一種控制功率的方法是改變槳距角從而改變?nèi)~片的幾何形狀。
這種方法如今被廣泛應(yīng)用,通過修改槳距角從而改變了風(fēng)速在葉片上的行程,即使葉片對(duì)風(fēng)或側(cè)風(fēng)。根據(jù)葉片改變的方向(對(duì)風(fēng)或側(cè)風(fēng))這種方法又分為槳距控制和主動(dòng)失速控制。控制槳距角的主要優(yōu)點(diǎn)有:良好的功率控制性能,輔助啟動(dòng)和緊急停車時(shí)功耗降低。另外,由于葉片的機(jī)械性能和控制系統(tǒng)的要求,此方法增加了成本和復(fù)雜性。
2小功率風(fēng)能控制系統(tǒng)
由于在絕緣電網(wǎng)和分布式能源生產(chǎn)中的應(yīng)用,小功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)也引起了人們的興趣。并由此產(chǎn)生了微電網(wǎng)的概念。
小功率WECS被融合在單機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中,也被應(yīng)用在混合動(dòng)力系統(tǒng)中。后者中,典型的應(yīng)用是風(fēng)光伏發(fā)電系統(tǒng)或風(fēng)力機(jī)與耗油系統(tǒng)的結(jié)合。它們都使用蓄電池儲(chǔ)存電能。
由于普及率非常高,它的控制問題與風(fēng)力發(fā)電廠中的問題有所不同,它非常依賴于實(shí)際中的應(yīng)用。例如,當(dāng)用于抽水或暖氣加熱時(shí),控制目標(biāo)明顯與絕緣電網(wǎng)的確保電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不同。
因此,在絕緣電網(wǎng)中的主要問題是風(fēng)能的調(diào)度,而這種調(diào)度取決于瞬時(shí)用電量和從發(fā)電機(jī)中存儲(chǔ)的電能量(考慮到能源儲(chǔ)存)。除了獲得最大功率和可靠性問題,控制的重點(diǎn)在于當(dāng)?shù)氐碾娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定性和功率傳輸情況(波動(dòng)、諧波等)。
在某些情況下,混合系統(tǒng)中所包含的發(fā)電機(jī)共同向一條公共的直流母線供電。這時(shí),問題是全面控制系統(tǒng)以確保電力供應(yīng)的連續(xù)性,同時(shí)符合使用要求。后者涉及到系統(tǒng)元件的使用壽命,這些元件決不能受控制行為(例如蓄電池的充放電周期的穩(wěn)定性,柴油發(fā)電機(jī)的開關(guān)規(guī)律等)的影響。
4結(jié)論
目前在WECS控制中所面臨的挑戰(zhàn)是,在電能來源——風(fēng)非常不規(guī)律的情況下要確保電能傳送有非常高的質(zhì)量。現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都配有控制和監(jiān)督子系統(tǒng)來進(jìn)行監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集(SCADA)。一般來說,有三個(gè)低級(jí)別的控制系統(tǒng),在下面將對(duì)他們進(jìn)行簡單的介紹。
變槳控制是一種日趨成熟、并被逐步廣泛應(yīng)用的技術(shù)。經(jīng)典的PI控制和優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)已經(jīng)在工業(yè)應(yīng)用中得到良好的應(yīng)用。在變速運(yùn)行的發(fā)電機(jī)控制方面,文獻(xiàn)提供了眾多的控制技術(shù)以期在實(shí)際中得到應(yīng)用。但是,這些控制技術(shù)當(dāng)中并沒有經(jīng)典的技術(shù),例如被風(fēng)力發(fā)電機(jī)集成器廣泛應(yīng)用。目前還沒有建立統(tǒng)一的變速控制策略,并且實(shí)際中實(shí)際上只是應(yīng)用了最基本的控制策略。另外,目前正在加緊研究電網(wǎng)的界面控制和輸出功率調(diào)節(jié),因?yàn)殡娋W(wǎng)連接標(biāo)準(zhǔn)一直在不斷的改變。控制目標(biāo),問題的形成和解決方案都極大的依賴于目前的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),當(dāng)?shù)氐墓搽娋W(wǎng),操作體制(即孤島或聯(lián)網(wǎng))等。







