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风力发电及其控制领域的新趋势

作者:Frank J. Bartos, P.E.2010.11.09阅读 7127

        在广阔的荒漠、干旱的沙漠、偏远的山区,以及新开辟出来的近海地区,越来越多的兆瓦级(MW)风力涡轮机正在为那里的人们源源不断地提供清洁的电力能源。而为了获得更高的发电量/成本比率,风力涡轮机的功率也随之越来越大。美国风能协会(AWEA)记录在册的2008年安装的涡轮机平均功率为1.67 MWCONTROL ENGINEERING China版权所有,同样在册是,目前出现的涡轮机最大额定功率不超过5-6 MWCONTROL ENGINEERING China版权所有,预计将在近海地区投入使用。更高规格的风力涡轮机仍处于研发阶段。
        除了个别欧洲国家,相比其他由来已久的发电形式,风力发电一直以来从来都不是主流发电方式。但是,现在的风向似乎开始改变了。根据全球风能协会(GWEC)的报告,美国在2008年底已经成为了全球风力发电量最大的国家,达到25.2千兆瓦(GW),以下依次是德国(23.9 GW)、西班牙(16.8 GW)和中国(12.2 GW)。而中国被认为将在不远的将来成为新的领先者。
        这些巨大的风力涡轮机中包括了各种电力、液压机械驱动装置,多种子系统,以及位于125米(450英尺)高的塔架顶端设备舱的电子控制系统。叶片的旋转半径可以达到甚至超过100米。
        现场安装的设备必须能经受住严酷的周边环境条件的考验,能随风力大小切换旋转开关,以及保证顶端设备舱在一定程度的振动范围内无需专门维护也能正常工作。
        俯仰和偏荡控制
        虽然有些争议,但这个系统中最关键也最花钱的部分一般被认为是涡轮叶片,这是需要被精确控制和完善保护的部件。叶片的俯仰控制能够通过优化调节叶片转向以适应气流变化来有效地控制和管理电量的生产和叶片的转矩;而偏荡控制则主要用于控制和调整顶端设备舱位于顺风面或在需要的时候转至逆风面。“它们通常是分别单独操控的,尽管俯仰控制往往会造成偏荡方面的调整,” 西门子公司的风电首席技术官Henrik Stiesdal说,“偏荡控制动作会对有效能源数量产生一定的影响,而俯仰控制的影响如前所述,因此从这个方面来理解www.cechina.cn,这两个系统会相互影响,但并不是那种有目的性的、有规律的协调互动。”
        博世-力士乐公司下属电子传动和控制部门的市场销售经理Dan Throne指出,“虽然俯仰和偏荡控制功能各有不同,但是它们能共同根据风速和风向调整最大化涡轮发电输出,也能进行启动操作,或在恶劣的灾害性气候发生时自动对叶片进行故障保护操作。”俯仰控制也会根据额定功率降低转速。
        有时为了根据风的变化调整优化电能产量,会需要对单个叶片进行控制。事实上,即使是在叶片的席卷范围以内也存在着不同的风和环境条件。最新的大型风力涡轮机在每个叶片根部都安置了一个俯仰驱动电机以对该叶片进行俯仰控制。偏荡控制系统则通常需要多个驱动和电机以分配齿轮负载。两者采用的驱动装置既可以是机电型的,也可以是液压型的。


工作在地面以上100米处的高度, 被安装在每个旋翼根部的Bosch Rexroth的 Mobilex GFB机电俯仰传动电机在随着旋翼毂旋转的时候会根据风的变化自动调节叶片。Bosch公司的俯仰(偏荡)驱动产品有机电和液压两种。

由风能转化为电能的发电和配电是一个多步骤的过程。 ABB Inc.专门为风力涡轮机应用生产了可变频的驱动器/转换器、发电机、变压器和切换齿轮等产品。


        量转换
        使旋翼转动的风能需要通过一台发电机转化为有用的电能。多数情况下,我们会使用变速箱来根据发电机输入提升旋翼转速。然后电流变换器会将发电机产生的不稳定的电压/频率输出转换成恒定电压和频率(60/50 Hz)的可进入电网的电——请参看“从风力到发电与配电”示意图。电流变换器由两部分组成,它们起着风力涡轮机与交流电网之间的接口作用。尽管发电机一侧与电网一侧的电流变换器/换流器是分开的,但是它们通常都被安装在同一个气冷或水冷的交流驱动箱内。
        风力涡轮机通常在一定风速范围内都能正常运转。其典型特征,可能会随着涡轮机规格的大小略有不同,主要包括:
        •  启动转速为3m/s (6.7mph),此时发电机与电网连接;
        •  额定转速为12-13 m/s,此时发电输出量最大;
        •  停机转速为25m/s——相当于56 mph的狂风级大风。
        根据博世-力士乐公司的说法,当达到停机转速时控制工程网版权所有,发电机与电网脱离连接,旋翼被倾转至特定位置(与风的流向相平行),同时,激活的制动系统会将旋翼刹停并固定,并帮助在甩负荷的紧急情况下关停涡轮机,在齿轮动作停止时依次释放偏荡系统传动齿轮的负载。  
        控制系统
        安装在顶端设备舱顶上的风速计和传感器可以测量风速和其他环境情况,并传回涡轮控制系统。这个迷你的“气象站”同时也能与旋翼的俯仰和偏荡控制系统进行通讯。滑环在其中起到了关键性的作用,它实现了旋翼毂与设备舱之间的控制权和数据的交换。“由涡轮机的原始设备制造商们开发的定制软件和控制系统会对旋翼的启动、运行或停止进行判断。” ABB公司低压驱动产品主管Cliff D. Cole说。
        博世-力士乐公司的 Throne解释说,设备舱中的多重冗余控制器监视着气候状况、涡轮机的运行、俯仰和偏荡控制、制动系统、远程情况报告等。中央涡轮控制器与监督控制系统(SCADA系统)一起协同管理整个风力电厂中的多台涡轮机。后者可以通过无线或互联网通讯网络实现远程访问。
        举例来说,GE Energy出品的名为WindControl的中央涡轮控制系统,宣称其能够在不同的风力和电网情况下,对多台涡轮机的旋翼转矩和叶片俯仰进行严格的控制,由此用户可以像对待“常规发电厂”一样轻松运营风力发电厂。公司的WingSCADA系统据闻提供了十分丰富的操作工具,从涡轮机监控到发电量记录等。
        GE Energy的风力涡轮机有三种基础规格,额定功率分别为1.5 MW、2.5 MW和3.6MW。其中1.5 MW和3.6MW型都采用了双馈异步发电机,而2.5MW涡轮机的特点则是它的永磁发电机和全功率电流变换器(请见功率曲线图)。GE宣称,他们是全美最大、全球第二大的风力涡轮机供应商。


这张功率曲线图揭示了一定风速测量值范围内涡轮机的瞬时输出情况。相当数量的风速横坐标点被用于这台 GE Energy的2.5MW涡轮机的测试上。

        发电机与变流器的选择
        在不同类型的发电机中,异步(感应)型——尤其是其双馈感应(DFI)发电机变种——在风力涡轮机中应用得最为广泛。与感应电机相类似,感应发电机的盛行也是其供货能力强大和实践应用广泛的综合结果。简单来说,一台发电机就是一台反向运行的电动机。而最近,永磁同步(PMS)发电机的使用也逐渐增多了起来。每种类型的发电机都有其相对优点和缺点。
        DFI发电机的一个主要优点就是它可以与一个只有额定功率30%额度的小型电流变换器一起使用,这样就能够提供一种较低成本的解决方案,ABB下属大功率系统交流驱动部门的生产线经理Teemu Ronkainen解释。他说:“电流变换器只需对发电机转子提供磁通量,因为在双馈设计中定子与电网直接相连。这样能在发电机达到额定转速时实现高效的转化。”除了DFI以外的其他类型发电机则需要配备一台全功率的电流变换器。
        “感应发电机适用于较高的运行转速,因此需要一个变速箱。它是耐用的、可靠的、经济的,多年来被数以千计的现场应用实例所证明的成熟机械。”西门子公司的Stiesdal说。
        但是,DFI发电机(不包括全功率电流变换器)也有着一定的缺点,Ronkainen指出,其中最大的不足就是“不能完全适应最新的与即将出现的电网接入规则”。另外,当转速低于额定值时,DFI发电机的效率会下降,这是因为转子占用了部分有效功率。这无疑限制了它的应用转速范围,而且随着最近在更低的风速条件下运行涡轮机成为新的关注点,这个缺陷被再次放大。“为DFI发电机转子提供磁通量的滑环的维护问题是另一个需要考虑的方面。” Ronkainen再次指出。
        “永磁发电机可以用于高速运行,此时当然也需要变速箱,但是与感应发电机不同的是它们也可以被设计为直接驱动型,这样就不需要变速箱了,” Stiesdal继续说,“PMS发电机相对而言比感应发电机的效率稍高一点,但是,它们的价格也相对更昂贵一些。”
        Stiesdal指出,对PMS发电机输出电压的调整是比较困难的CONTROL ENGINEERING China版权所有,它的操作灵活性不如转差感应发电机。同时,永磁材料对机器间隙、温度等参数的要求更为严格。“因此,结论是PM发电机会为整个电力转换系统带来额外的运行操作要求。”他说。
        博世-力士乐公司的Throne同样也指出,无论使用感应发电机还是同步发电机都需要为了达到合适的输入轴转速而配置一台多级变速箱。他认为两种发电机技术都是“成熟的”,其中PM同步型更适用于较小型的涡轮机应用场合。“在过去的几年中,采用了直驱式PM发电机和液压驱动装置(电机和泵)的情况越来越多了。”他补充说。
        PM同步趋势
        当感应发电机和全功率电流变换器的组合刚开始出现时,ABB就意识到PM同步发电机可能就是下一个趋势。Ronkainen列举了ABB出品的三种分别基于不同运行转速的产品设计。第一种是额定转速高达1800rpm的高速PM发电机与多级变速箱的组合,具体转速由频率和电机极数决定。他说:“从机械原理来说,这与DFI发电机相同。”中速PM发电机集成了单级变速箱,转速可达150rpm;而低速型(通常范围在17-30rpm)则是由涡轮机旋翼直接驱动的,没有内置变速箱。
        全功率电流变换器(FPC)支持全部三种PM同步产品,且相比DFI发电机而言,带来的好处更多。FPC同时也能对满足越来越严格的电网接入规则要求起到积极的作用。“它将发电机与线路瞬变隔离开来,可以对线路故障作出快速反应,并在故障发生时具有更好的穿越/电网支持能力。” Ronkainen补充说。此外,全功率电流变换器还由于其能够满足不同电网接入规则的特性,客观上促进了风力涡轮机的“全球化设计”进程。
        斯维奇控制器和变流器公司也一直关注着PMS发电机的发展。在美国风能协会的风能2009峰会上,斯维奇公司副总裁Anders Troedson在一次展示活动中将PMS发电机与全功率电流变换器的组合比作风力涡轮机 “传动系统新标准”。他引用了当年发电量的计算结果,指出PM发电机(低速型、中速型和高速型)对系统整体效率的提升效果要大于DFI发电机。斯维奇公司拥有这三种类型的发电机产品。
        直接驱动?
        取消变速箱可以简化风力涡轮机的设计,但是也要求低速PM发电机具有比原先大得多的半径以适应高磁极数(80或80以上)的要求。更大的半径也带来了磁通生产所需的圆周速度。到目前为止,成本和产量低下仍然制约着大功率直驱发电机的应用和发展。但是,在无变速箱设计的领域也有一位值得人们注意的实践者,那就是世界上最大风力涡轮机的制造商——德国的Enercon GmbH。


西门子2.3MW风力涡轮机的顶部设备舱的装配在公司位于丹麦布兰德市的设备舱生产车间完成。(图片由西门子能源集团提供。)

        在风力2009峰会的另一次展示活动中,Stiesdal对西门子在直接驱动式(DD)涡轮机方面的进展发表了一番意见。他解释说每转矩输出的成本会随着功率的上升而降低,在3.6MW额定值左右达到一个盈亏平衡点。他的初步结论是,“对近海区域使用的大型涡轮机来说,DD概念会是一个经济的选择;而对于主流的内陆项目来说,这个结论尚有待研究。”
        由风能转化而成的电能总量正在逐步增加。但要使其在电力来源饼图上分得大小适当的一块,风电还必须解决不少问题,例如涡轮机的选址控制工程网版权所有,环境问题的考虑,以及更高的社会接受程度。不管怎么样,风电必须摆脱政府的补贴站在公平的竞争环境里与其他发电厂平等对抗。借用莎士比亚的名言:“tis a consummation devoutly to be wished.”(这是一个被衷心期待着的美妙前景。)
        翻译:陈廷炯

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