超高压风力发电机在风电中的应用

超高压风力发电机在风电中的应用

中国的和平崛起和经济的不断发展不可避免地导致了能源不足的局面。石油被誉为“黑金”,水力被称为“白煤”,风力则被称为“蓝天白煤”。风能是一种可再生的清洁的新能源,取之不尽,用之不竭。当今世界,风力发电正以30%的年增长率快速发展。德国风电比重已超过40%,发电量250亿kWh,首次超过了水电的210亿kWh。我国风能资源丰富,可开发利用约2.5亿kW(以前的评估为20亿或10亿kW),然而至今为止,风电比重还不到1%。虽然“八五”、“九五”、“十五”规划规模很大,但指标却没有完成,原因就是决策者对未来经济发展认识不足,在政策上缩手缩脚。由于风电投资很大(8000元/kW左右),发电成本较高,发展很慢,“十五”原定目标没有实现。2006年1月1日《可再生能源法》的正式生效,将为“十一五”规划的实现提供保障。可再生能源是世界能源发展方向。21世纪将是一场可再生能源革命,到2026年,我国风电装机将达2000万kW,国产化率将达85%。风电的50%将向海滩进军,造价应达5000元/kW。国家发改委已下达文件,要求为大规模发展风电做好前期工作,即将建设20个100MW以上的大型风电场。在辽宁葫芦岛将建国内最大风电场(50MW),建设周期1年,第一期年设计上网电量约为1.16亿kWh。在风能资源丰富的东部沿海距海岸10km之内的岛屿和海上建设大型风电场。国家发改委要求研制完全具有自主知识产权、有自己品牌和有市场竞争能力的风电产品。哈尔滨大电机研究所自行研制成功了转子采用交流励磁变速的恒频大型风力发电机,建立了专用试验台,研制了配套硬件、软件。哈电集团发电设备国家工程研究中心研制的1.2MW风电设备,采用永磁式、直驱式,不用齿轮箱,可按风速调速,上网频率不变。年产200多台,是国产最大的产品。我国大规模开发风电产业的新潮流符合世界发展趋势。本文主要论述风电设备实现大型化、海洋化的相关问题:大型化的好处;大型化与海洋化的关系;受到的制约和限制;结构型式选择;设计考虑原则、安装条件、维护特点等以及今后的科研课题和展望。风能机组的大规模改造好处旋转截面对功率增加的影响风轮机输出功率的表达式为式中P——风轮机输出功率,kWρ——空气密度A——转轮旋转截面面积,m2υ——风速,m/s空气密度ρ为天然所与,没有明显变化。对于特定的风电场地,风速的平均值也变化不大。为了增加功率,只能增大旋转截面,并按下式考虑式中D——转轮直径,m由此可见,输出功率与转轮直径的平方成正比。只要增大转轮,输出功率将急速增加。当今世界风轮机直径与输出功率的对应关系如表1所示。大幅度降低电站设备成本理论上和实践中都证明,直装机总容量相同前提条件下,减少机组台数、增大单机容量可使电站设备成本大幅度降低。对于100万kW电站,采用1台100万kW机组要比10台10万kW机组成本降低了1/3以上。风电设备也是如此。维修费用和维护机组增大,台数减少,占地空间减小,基础工事、安装工事费用减少,维护检修量小。海上风电的特点1.风力发电场地的选址,海洋与陆地有很大区别。与陆地比,海上风速较高,约高出20%~100%。理论上讲,风电功率与风速的3次方成正比,海洋风电功率比陆地增大到1.7~1.8倍。2.陆地表面不平,有高有低,对风力、风向、风量等有很大影响,甚至引起紊流,对风轮叶片破坏力极大,甚至导致振动、疲劳、断裂。海洋没有此类危险,海面平坦,风转稳定。也不会引发功率变动。3.海洋表面粗糙度较小,相对于海面上空高度的风速变化不大,支撑风机的塔柱不必太高。造价、安装维护费用可减小。4.不像陆地,海上周围没有人家、不必担心噪声、电磁波、风轮挡光和转动阴影等环境影响,甚至可以实施调整运行。5.海面宽阔,不受场地限制,有可能实现风电场的大容量化。6.由于海上风电要求船式吊车、水下固定以及长距离海底埋设电缆,造价要比陆地高出60%,但发电量却增加50%以上,比较平衡;陆地设备平均利用率约为2000h,好的可达2600h,而海上为3000h。因为海上风速较大而且稳定。7.海上风电的上述好处,促使人们将大型风电转向海洋。当今世界风电机组的大型化发展很快(表2),有3种:尺寸大、单机容量大、装机容量大。8.世界上尺寸最大(转轮直径122m)、也是单机容量最大(7300MW)的风电机组GECMOD-5A(美国),设在太平洋上夏威夷群岛北岸,风速为5.5km/h。9.世界上装机容量最大的风电场(7000多台×2MW)是美国加利福尼亚州旧金山东部的阿尔塔蒙特山口风电场,占地207.2(km)2,年产100万MWh电量。10.我国即将掀起大型风电建设新高潮,并将50%以上推向海滩。21世纪又是世界风电产业由陆地转向海洋的新世纪。德国已经生产海洋专用的定型产品E112(4500kW)、M5000(5000kW)等。海上风力开发海底地形地貌带水层景观设计条件国家发改委要求做好前期准备工作,就包括事前调查。与海洋风电开发有关的事前调查内容包括(1)风况条件:风情特性、风况模拟;(2)设置条件:海象条件、地质等;(3)海底地形:波浪、流况等;(4)选址条件:不能影响水域利用、渔业、船舶航行;(5)环境条件:海洋生物、鸟类、景观、电波、海底地质、考古等。调查结果应与陆地进行比较:对景观的影响、产生的噪声、电磁波、微波以及与鸟类的冲突等都应减小。海底电缆系统海上风力要求强劲而且稳定,远海的浅水域海流流速要低;大规模风电场的建设应保证定期船舶及航空不受妨碍;海底埋设输电电缆作业易于施工且经费应减少;动植物栖息不能受影响。风力及流冰负荷组合作为基础设计条件,波浪和风力组合的最大负荷以及疲劳强度的计算,最大风力负荷和流冰负荷组合的最大负荷的计算是重要课题。当风车行列中某一台发生故障而停机,就会引起紊流,进而导致最大负荷、疲劳负荷增加,风机性能降低,并使基础受到影响。设计时应当注意或留有安全余量。景观效果必须注意沿岸景观效应,旅游产业收入巨大。丹麦80×2MW大型海上风电场征求住民意见,调查后将风机排到按20台为一弧形配置。高压直流输电hvdc海洋风电设备通常距沿岸为10~36km。由于高压交流输电(HVAC)常被反对,当输电距离较长(100km以上)容量较大(300MW以上)时,选高压直流输电(HVDC)更合适。风轮机、风机叶片海洋风电机组应是大型的,通常在2~5MW或更大,而2MW以下则适用于陆地。风电工程造价包括风力发电机组(占78%)、电气装置(占12%)、土建工程(占6%)、电力消费(占2%)、工程管理(占2%)。其中风轮机和发电机所占比重最大,应采用新技术新材料来降低造价,例如采用高强度纤维加上环氧树脂来取代铝合金制造叶片,取消齿轮增速箱等。哈电发电设备国家工程研究中心开发的1200kW大型风电机组就取消了齿轮箱,可根据风速调节风轮机转速,却保持上网频率不变,提高风能利用率。美国开发的新型叶片可使捕捉风的压力提高20%;采用变频调整后使风能利用率提高15%。风轮叶片数目为2枚或3枚,2片适用于较高的周速比(叶片尖端周速与风速之比),3片则适用于较低的周速比。要注意2叶片转轮相对于旋转平面各轴线的螺桨惯性矩并不相同,由此会引起附加动态负荷,必须采习又相应辅助结构措施。德国大型风机用1个叶片是为了降低成本。叶片造价为风轮机的1/5~1/3,3片改为1片可降低成本20%。但主流还是采用3叶片。浮体浮体当水深<20m时为浅水域,风电设备由基础底座的支柱(通常为3根)直接插入海底以下10m固定即可。当水深在20~300m之间的深水域,就应采用浮体结构,它是矩形或△形箱体,漂浮在海面上。风电设备的支撑塔柱固定在盒式箱体上。浮体对由缆索牵引,缆索锚固于海底。这种漂浮箱体主要注意强风时的摇动和倾斜。《规定》的维护检修难点与陆地环境不同,海洋风电设备特别是暴风雨天气的维护检修难度很大,费用很高,直接影响电力成本。有时需用直升机,应尽量减少这类费用。动态模型的建立动态负荷是风电研制最重要最困难的世界性课题,目前还不存在通风可靠的动态负荷计算方法。建立精确动态模型条件是:适当的自由度(每个风轮都有变化);旋转叶片截面的静态特性;详细的风力参数(空间、时间关系);非稳定的风力气动力作用必须忽略。这些条件很难满足。应该先减小这些限制,建立模型数据库,适应各种风轮需要,对可靠性提高、效率提高都有益。国内最大的发电集成系统,在中国,可以最通过技术引进的企业,至今为止也没有实现完全的国产化。关键的核心零部件、核心技术仍需高昂外汇从国外买进,虽然我国外汇储备很多,但不要忘记知识产权。大约在