电阻在风能中的应用


  动的自然风能捕捉下来,转变成稳定的、持续的电能,以供人类使用,是一个值得仔细探求的问题。
 
  2.1古老的丹麦式风车丹麦风车,无疑是风力发电的典型代表,但同时也让人联想到古老和落后的技术。在国外被称为丹麦概念风车机组的风能利用系统,是对电力电子技术应用极少的恒速恒频风力发电系统。首先恒频这个条件是电能应用的基础。既然希望发出的电能能够加入电网供人利用,自然首先要求发电的频率为工频,并希望尽可能的减少杂波以减少对电网的冲击。丹麦风车机组的解决办法是,利用一系列的机械部件,保证在任何大小的风速情况下,电机的转差率都近似维持在一个恒定值,被称为超同步状态[1]。这么做的缺点是显而易见的。恒速运行不仅不能对变化多端的风能进行有效地利用,同时当风速变化较大的时期,对于发电系统的机械部件压力变化剧烈,无益于发电系统的寿命增长。并且,由于没有采用什么电力电子技术对风能发出的电能进行整流滤波,导致杂波含量极高,对电网也会造成巨大冲击。
 
  2.2变速恒频风力发电系统对风能利用的一个重要认识在于,并不是随随便便让风叶带动一个电机转动,就能达到良好的发电效果,其实如何让风力大小和电机转速有效地配合,是一个需要深入研究的重要问题。在不同风速下,发电机转速与发电功率之间的关系可以从图1中看出:可以发现,对于每一个不同的风速,当发电机的转速从很小不断增大过程中,发电功率经历了一个先增大后减小的过程。其中功率最大的点就被称为最大风能捕获点[2]。因此为了尽可能提高风能利用的效率应当让发电机的转速随着风速的不断变化而变化。然而倘若发电机的转速随意变化,无疑会导致发电频率的变化,这样的电能是无法加以利用的。于是变速恒频风力发电系统就产生了。首先先以原理比较简单的交-直-交风力发电系统[3]来进行分析。其基本的原理框图如下所示:图表2交-直-交风力发电系统此系统中的发电机会随着风速的变化而自动调整转速,尽量在任意时刻都能够达到最大风能捕获点。产生的频率不断变化的交流电能首先通过交流-直流整流电路变换为直流电,此后再通过直流-
 
  交流逆变电路转变成频率恒定的工频电流,就成为了能够被正常使用的电图表1最大风能捕捉曲线
 
  能,输送到电网当中。可以看出,利用电力电子技术成功解决了机械部件无法解决的难题。不仅风能发电的效率大大提高,而且产生的电能也更加稳定,实用性也得到了增强。机械部件的使用寿命也一定程度延长。而目前应用比较广泛的风力发电机系统是双馈异步风力发电机[4]。其结构和原理比较复杂,最大的特点在于,其转子绕组通过变频器与电网连接,转子绕组电源的频率、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节。普通的电机只能对电流幅值进行调节,亦即只能调节无功功率,能力十分有限。而双馈异步发电机在变频器的帮助下,可调节的内容增加到了上述的三个。通过改变励磁频率,可以达到改变电机转速的目的,倘若环境中风速突变,根据传感器传来的信息,快速调整励磁频率,让发电机转速随风速改变而改变,可以高效的捕捉风能。而改变转子的励磁相位,则可以达到改变发电机功率因数角的目的,调整有功功率和无功功率的比例,以适应电网的需求。可见双馈异步风力发电机的确在多方面都有着绝对的优势。关于风力发电系统的结构,还有很多种,例如:磁场调制发电机系统、无刷双馈发电机系统等等,此处不再一一赘述。但是我们可以从中清楚地看到,应用了电力电子技术之后,风能的采集效率比以往有了飞跃式得提高,同时转变成工频交流电的品质也更令人满意,因此在风能发电的第一步中,电力电子技术就已经体现出了相当大的价值。3并网技术虽然在风能采集和转变的阶段,已经尽力使产生的电能达到了工频的标准,但绝对不是因此就可以简单地输入电网。比如说,风能的大小总是不停的在变化,再加上风力发电机组的发电功率不断增大,在并网时会对电网产生较大的冲击,造成电网中的电压波动。因此,并网技术也是不容小觑的。
 
  3.1异步风力发电机并网存在的问题由于前面已经讨论过同步和异步发电机的优劣,可以确定异步发电机才是将来风力发电的主力,因此此处只讨论异步发电机并网时应当注意的问题。异步发电机通过转差率调整负荷,已经自己解决了振荡、失步等问题,还应当注意的问题大致有:直接并网时产生的巨大冲击电流(约为额定电流的4到7倍),可能使发电机与电网连接的主回路中的自动开关断开,同时冲击电流会造成电压大幅下降,可能触发系统低压保护,对系统安全运行造成影响;由于其本身不产生无功功率,因此需要无功补偿;过高的系统电压会使其磁路饱和,无功激磁电流大幅增加,定子电流过载,功率因数大幅下降[5]等等。
 
  3.2并网技术对比目前采用的异步发电机并网技术主要由直接并网方式、准同期并网方式、降压并网方式、晶闸管软并网方式[6]等。直接并网方式仅要求发电相序与电网相序相同即可并网,虽然设备简单方便,但是完全不能避免发电系统对电网的冲击,只适合小型的发电机组。准同期并网方式事先对发电机电压和频率进行调节和校正,能够很大程度上减少冲击电流,但是只能控制电机在可调节的范围之内,使用中有所限制。降压并网方式是在电路中加入电阻或电抗器,以减少并网瞬间的冲击,但是损耗较大,而且随着发电机组的增加,所需的分压电路也就越多,
 
  不够经济实用。图表3双馈异步风力发电机
 
  由于这三种方式都有较大的缺陷,因此使用中十分不方便。对比前面三种方法,运用电力电子技术的晶闸管软并网方式脱颖而出,得到广泛的应用。如图所示,这种并网方式是在异步发电机的定子与电网之间通过在每相串入1只双向晶闸管连接起来,实现对发电机输入电压的调节,接入双向晶闸管的目的是将发电机并网瞬间的冲击电流控制在允许的限度内[5]。通过控制晶闸管的导通角,可以调节负载上的电压波形,从而改变负载电压的有效值。而右侧补偿电容的作用则是上面提到过的对无功功率进行补偿,以使发出的电能与电网中原有的电能相适应。当然补偿电容的大小也需要根据实际情况进行控制。目前,晶闸管软切入装置已成为大型异步风力发电机组中不可缺少的组成部分,用于限制发电机并网以及大小电机切换时的瞬态冲击电流,以免对电网造成过大的冲击[5]。可见,在并网阶段,电力电子技术同样发挥了不可取代的作用。当然,这种装置对于晶闸管的耐压、功率都有较高的要求,需要电力电子技术进一步的发展,提供更为可靠、高耐压和高容量的晶闸管。
 
  4监测系统经过前文所述,运用电力电子技术,已经可以有效地稳定风能发电的电压、频率等特性。但是由于电力电子器件的引入,同时也会带来一些额外的问题。比如说:大功率开关器件的普遍采用使得电能含有大量的谐波,加上不均匀负载带来的三相不平衡、功率因数下降和电压失稳等问题[2],同样会使产生的电能不稳定。除了电能状况不稳定之外,风力发电系统本身也经常出现各种各样的故障,而故障的原因大多是一些小问题的长期积累。因此,建立有一套完善的检测系统,对风力发电系统进行长期监测,也是一个重要的问题。
 
  4.1需要监测的问题在电能方面,首先,由于风力发电用的发电机三相绕组很难做到绝对对称,而不对称的三相绕组会成为谐波源,在电网中引入谐波,导致电压波形偏离正弦波。相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率,从而降低电网电压,减少电网的容量[7]。其次,对风力机风速一功率特性的长期监测发现,在相同风速下,被监测风机的输出功率存在很大的离散性,说明风力机的风能捕获效率还不够理想[8]。而在机械方面,由于技术等方面的不成熟,导致发电机运行状况不能很好地与风速配合,导致机械磨损比预期严重很多。老化的器件如果不能够即使被发现,很可能会导致严重的后果,造成不必要的损失。另外在风力发电站的建设方面还需努力,既要选择风能较


2019-08-31 08:27


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