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    在风力发电技术方面,目前世界上流行的风电技术大体上可分为恒速恒频(CSCF)和变速恒频(VSCF)两大类[10]。

    恒速恒频系统采用同步发电机或感应发电机[15],不论风速如何变化,保持风力机转速恒定(通常为同步速),从而实现发电频率的恒定。这样,叶尖速比不可能总保持在最佳值,也就不能实现最大风能捕获,导致风能利用效率底。恒速运行的风力发电主要缺点如下:

    1)恒速恒频系统是一种刚性机电耦合系统,当风速发生突变时,风机的叶片将承受较大的扭应力和风力摩擦[13]。为了保持机械转速恒定,巨大的风能还将通过叶片在风机主轴、齿轮箱和电机等部件上产生很大的机械应力,增加了这些部件的疲劳损坏程度,缩短了使用寿命。并网运行时还会潜在地影响到电力系统的稳定运行[12]。

    2)采用失速调节方式,叶片自身结构复杂,单机容量增大时,转子的直径必须增大,叶片的厚度也随之增加,使叶片的刚度减弱,失速动态特性不易控制,风力机单机容量的发展受到限制。

    由于存在上述缺点,促使人们考虑使发电机在变速驱动下发出恒定频率的电能,从而发展了变速恒频风力发电技术。

    变速恒频发电是20世纪末发展起来的一种新型发电方式,它将电力电子技术、矢量变换控制技术和微机信息处理技术引入发电机控制之中,获得了一种全新的、高质量的电能获取方式。风力机采用变速运行,即风机叶轮跟随风速的变化改变其旋转速度,保持基本恒定的最佳叶尖速比,风能利用系数最大。相对于恒速运行方式,变速运行具有如下优点[16]。

    1)风能转换效率高。变速运行风机以最佳叶尖速比、在最大功率点运行,提高了风力机的运行效率,与恒速恒频风电系统相比,理论上年发电量一般可提高20%以上。

    2)变机电动力系统间的刚性连接为柔性连接。当风速跃升时,能吸收阵风能量,把能量储存在机械惯性中,减少阵风冲击对风机带来的疲劳损坏,减少机械应力和转动脉动,延长风机寿命。当风速下降时,高速运转的风轮的能量便释放出来转化为电能送给电网。

    3)可使变桨距调节简单化。变速运行放宽了对桨距控制响应速度的要求,在低风速时,桨距角固定;高风速时,调节桨距角限制最大输出功率。

    4)变速运行还具有减少运行噪声等其它一些优点。由于这些优点,风电机组正朝着大型化、变桨距和变速恒频的方向不断发展。

    1.2  并网风力发电发展情况

    1.2.1  风力发电的优缺点介绍

        风力发电之所以快速发展,除了能源需求增加,环保压力加大外,重要的是风力发电本身所具有的优点:1)建造风力发电场的费用低廉,比水电站、火力发电厂或核电站的建造费用低得多;2)不需火力发电所需的煤、油等燃料或核电站所需的核材料即可产生电力,除常规保养外,没有任何消耗;3)风力是一种洁净的自然能源,没有其他发电方式伴生的环境污染问题;4)风力发电运行简单,可完全做到无人值守;5)风力发电实际占地少,机组与监控、变电等建筑仅占风力电场约7%的土地,其余场地仍可供其他产业使用。对地形要求低,在山丘、海边、河堤、荒漠等地均可建设。

        但是风电也有局限性,主要表现在:1)风能的能量密度小且不稳定,不能大量储存;2)风轮机的效率较低;3)对生态环境有影响,产生机械和电磁噪声;4)接入电网时,对电网有不利的影响。

    1.2.2  世界风电场建设情况

        从上个世纪七十年代能源危机以来,许多国家都更加重视可再生能源的研究、开发和利用工作,风力发电技术取得了长足的进步并逐渐成熟。

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