变桨并网型异步风力发电机.docx

廉价的变桨并网型中小型风力异步发电机长沙远广机电科技有限公司章红涛摘要：介绍一种中小型的变桨并网异步发电机系统，该系统结构简单使用和操作极方便，并以每千瓦低于3000元的市场价格向人们展示出并网风力发电的大好前途，该系统首次把风力发电的成本（小于0.3元/度）降到了火力发电成本之下，使得即使是在有电的地区，也能为你节余大量的电费，充分开发利用了大自然的清洁能源。关键词：并网风电，变桨轮毂，异步发电1 前言（技术现状）现在市面上的中小型风力发电机系统由于蓄电池价格高寿命短，其发展一直面临困境。为解决风能利用降低成本，世界各国都支持风力发电并网运行，形成分布式风力发电，即所谓的云发电。目前我国也许可个人风力发电机并网，但是，现在的中小风力发电机并网，必须通过并网逆变控制器才能做到，而且，并网逆变控制器价格高，电路复杂，波形误差大，容易损坏，同样造成发电成本偏高（高于市电价格），使得并网风力发电步履艰难，推广难度很大。2 目标（解决的问题）怎样才能克服目前风电成本高的难题呢？1.是开发出高容量低价格长寿命的蓄电池，这在目前看来是不太容易的。2.是大幅降低风力发电机的价格，由于材料和制造成本已不能再降价了。3.降低并网逆变器的价格，由于功能复杂，控制要求高价格很难下调。目前一套并网电力发电机组成旭图1。图1作为永磁风力发电机其价格每千瓦不低于3000元，充电控制器500元，蓄电池的价格为风力发电机的一半左右，约1500元，逆变器1000元或并网逆变器4500元，架管600元。这样一千瓦的全套系统总价格就达到了6600元或11100元，每两年还要换蓄电池，就是说每年要加入800元的维护费。只讨论并网风力发电机，目前市场购买的平均每千瓦10000元，存银行按5年期存款利率3%算，每年可收获利息300元。1千瓦的风力发电机在风能丰富区，有效发电率20%，全年可发电能1800度，能20年正常运行，按10年折旧算，加换蓄电池的费用和利息损失，每年成本1900元，如果是贷款购买，按5年期算6.55%的资金利息，平均每年发电成本就是2250元，前者相当于1.06一度电，后者相当于1.25元一度电，高出居民电价一倍多。因此，在有电网的地方，谁又愿意投资以一元多一度电的成本向电网卖0.4元一度的电呢？这就是在有电网的地区风电推广的难处。为了降低因价格高而造成的风电发电成本高的问题，从哪里入手呢？只能简化设备，降低系统价格才行，可考虑并网发电如果不用蓄电池，不用充电器，不用逆变器就更好了，这套系统就只要3000元左右了，减了一大半多，算上每年不用换蓄电池，按10年折旧加上贷款利息6.55%，每年产生的成本是496.5元左右，由于是用变桨系统，其发电能力还将提高3成，年总发电量在2400度左右，约合每度电0.21元。就算不把可能多发的电加在内，约合每度电0.276元，远低于火电成本了。按市场民用电价三年内收回投资，按工业电价一年内就收回投资了。3 经济性由前面可知变桨并网异步发电具有极大的经济价值，从维护角度上说，完全可做到免维护了。首先，一是电机结构简单，异步电机是所有各类电机中强度最高，成本最低的。二是没有永磁发电机的磁衰减问题，使用寿命非常长。三是并网非常方便，不存在频率同步和电压偏差的问题。四是无孤岛效应。五是不存在低电压穿越问题。2012年全国中小发电机年装机容量XX，那么如果20%采用变桨并网发电机，就能每年多获利利润XX万元。4 系统组成（专利：2013202120441）全系统由 大部分组成：叶片；变桨轮毂；异步发电机；有源转速传感器、并网控制器。图二一般将并网电路集成在电机内，维护上会有一定难度，独立放置可降低维护难度，但是需要多二路信号线，但是成本上差别不大。4.1 变桨轮毂（专利：2011203500928）采用专利自动变桨的轮毂结构，能自动根据主轴的转速调整叶片的迎角，达到稳定转速、减小阻力、增加转矩的效果，保证5米/秒以上风速全是工作发电的范围，不需在暴风时停机而浪费大量的风能。4.2 叶片为了提高效率，降低起动风速，叶片通过重新设计，加大了宽度，均匀了扭角变化，不再考虑采用其它减速方案，充分利用叶尖的能量，使得叶片风能转换效率大幅提高，更轻巧，成本更低。4.3 异步发电机采用交流异步电机配套发电，交流异步电机在并网发电时有以下主要优点：1. 能自动跟随电网频率而不需校准频率，节省了同期及频率调整设备，无同步发电机类似的振荡和失步问题，并网操作简便。2. 能自动跟随电网电压，不需电压调节装置。3. 不怕输出短路故障，不会因短路烧电机。4. 不会发生磁场因使用年限产生退磁而功率下降。5. 因笼型转子异步发电机结构简单、牢固机械强度好结构可靠，无集电环和碳刷, 可靠性高, 不受使用场所限制。大大增加了使用年限，几乎不用维护。6. 因为电压是随电网变化的，一但电网故障拉闸，风力发电机可做到同时不发电，不会使电网带电，不会产生孤岛效应。7. 在电网电压下降时，能可靠的达到低电压穿越功能。 主要缺点尽管从原理上说异步发电机可以借助于电容器孤立运行在自激状态, 但处于这种运行状态时, 发电机调压能力很弱, 当发电机达到临界负荷, 将引起电压崩溃，因此由变桨系统给与调节。异步发电机的励磁一般而言可由电网或静止电容器提供。具体的励磁提供方式由用户类型或电网运行条件决定。虽然异步发电机不能提供自身和负载所需的无功, 可能是一个缺陷, 但当其使用恰当时, 可作为电网无功优化的一种手段。并将会对电站和电网带来明显的技术经济效益。212 异步发电机与同步永磁发电机在风力发电并网运行中应用的经济性比较(1) 异步发电机由于无需同期装置,投资费用低。(2) 由于无永磁体, 无退磁效应，因此费用低。(3) 异步发电机一般效率高于同容量同转速的同步发电机。相同的风源下, 采用异步发电机可多发电。(4) 异步发电机设备较同步发电机辅助设备少。4.4 转速传感器因为异步电机在并网前不一定还有剩磁发电，没有电就不能通过定子电流检测到电机转速，所以必须安装一个有源转速传感器，该传感器不需外接电源即可输出转速脉冲信号。4.5 并网控制器将转速传感器的信号整形后，根据脉冲信号频率，计算出主轴的转速，当达到设定的发电转速时将风力发电机与电网相连并网，当低于规定转速处于电动机运行时与电网脱离，防止其运行在电动机状态。5 全系统工作原理5.1 系统安装 系统组成见图二，非常简单，一套风力发电机在合适的地方安装好以后，将电缆通过小型空气开关与智能电表的输出端相连（换用智能电表是为了向电网供电时计量，向电网管理部门结算，如果用三相电则普通电表可自动反转减去用电量），没有其它设备需要安装。5.2 工作原理 当风达到4米/秒以上时，风轮带动发电机转速将达到发电机的发电转速（高于电网同步转速2%），并网控制器将异步发电机与电网相连并网，异步发电机在电网的激励下开始发电，由于其励磁电流是电网提供，所以频率与电网一致并自动同期，电压与电网一致。输出功率与风力发电机保持对应，当风速增加使风力发电机转速上升时，其输出功率相应增大，变桨轮毂根据转速对风叶的迎角进行调整，使转速保持在设定的范围内，也使风叶对电机的转矩加大。风速加大的过程中，异步电机的转速能保持在高于电网同步转速的规定范围内，不会因风速过高而使得异步发电机超速，保证了风力发电机一直运行在稳定的转速和功率输出范围内。变桨轮毂的作用就是保证异步发电机一直运行在许可功率的转速下，最大限度的提高发电功率输出。当输出功率突然减小时，风轮转速有上升的趋势，变桨轮毂将迅速减小风叶迎角，使转速回调稳定。注16 实验结果略7 与国家电网的并网技术规定的符合度7.1 最大功率变化率-由于是小型机组并网，与电网容量相比其功率变化可以忽略不计。7.2 紧急控制-可以忽略不计。7.3 无功功率-可以忽略不计。7.4 电压偏差由于异步发电机的特性决定，其电压是与电网电压保护一致的。7.5 运行要求a.电压偏差，不影响风力发电机，b.GB12326-2008；GB/T14549-1993；GB/T15543-2008的要求均符合。7.6 电场电压调节异步发电机是自动适应的，不会对电网产生影响。7.7 风电场低电压穿越只要电网频率不降低，风力发电机不会主动脱网，只会自动限制输出功率。7.8 有功恢复完全符合要求。7.9 运行频率与电网完全一致。7.10 电能质量符合。8 成本比较（1KW风力发电机） 元市场上的离网风电市场上的并网风电变桨并网异步风电说明风轮700700600变桨轮毂400永磁发电机25002500异步发电机1300包括转速控制充电控制器5003000蓄电池12001200逆变器10004500拉索塔架600600600合计价格6000850028009 批量实施方案9.1 本系统不考虑独立运行，其目标在于利用风能减小对电网的电能消耗和对电网补充供电，在各种用电负荷类别中，介绍最合适的用电模式。9.2 路灯系统，路灯是属于夜间用电，这里电网负荷有所减轻，故不会给电网带来过负荷，风力发电用于路灯完全是为了利用风能节约电能，白天的风能发电路灯不需要，而电网正是用电高峰，直接供给电网，夜间有风时供路灯，没风时路灯从电网用电。与风光互补路灯相比，优势在于不需要蓄电池和充电控制器更不要逆变器，节约80%的投资，如果路灯按100瓦的功率每天亮6小时，用电0.6度，那么300瓦的风力发电机按10%的发电率算，平均一天发电0.72度，通过电网平衡能做到完全节约电网电能。由于太阳能电池每平方不到100瓦峰值功率，平均每天能发的电不大于0.1度，每天成本超一元，相当于10元一度电，这能说是节能吗？所以变桨并网风力发电用于路灯是真正节能，给每个路灯增加1000元左右的成本，形成风力发电路灯，按10年折旧，电网电费0.55，每天比电网供电还节约8分，比风光互补路灯节约大量投资成本。9.3 工厂节能补充供电，现在沿江和沿海的许多工厂都受到供电限制，电量不足，但是风能充足，过去由于风力发电成本过高推广很难，当成本低到0.3元一度以下时，面对1.2元一度的工业用电，工厂会怎样选择呢？只有供应问题了。9.4 家庭补充节能，在广大的沿江、沿海地区和有风能的乡村因为电费较高，家庭用电相对耗费较高，而且电量也常受限制，应用变桨并网风力异步发电机后能大大节约电费和增加可用电量。如一个家庭用了2台空调约2.5千瓦，加上其它电器约3.5千瓦，平均每天开机5小时，耗电17.5度。一年耗电6388度，按0.6一度算，约3833元。如果装2台1千瓦的变桨并网风力异步发电机，在沿江、沿海地区按0.3的发电率算，年发电量约5256度电，如果其中一半必需先电网按0.4元一度回收，算下来节约2628元电费，减去投资年折旧和利息（减少银行存款6000元，利息损失每年180元），为减少风险按10年折旧，一年资金成本是780元，相当于一年还收益1848。