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变桨距、变速恒频风力发电机

作者：上海情报服务平台www.istis.sh.cn    转贴自：http://www.istis.sh.cn/list/list.asp?id=1979    点击数：176


现代风力发电机技术面临的挑战主要在于如何进一步提高效率、增加强度、降低成本这三方面。随着风力机的单机容量的不断增大，变桨距(blade/autocoarse pitch，variable pitch blades)调速方式和变速恒频(VSCF，variable speed constant frequency)技术，因其在额定风速下能提高捕获风能效率，获得最佳能量输出，因而变速恒频变桨矩型风力机逐渐占据了风力发电机的主导地位。
 
变桨距风力机的叶片沿其纵向轴转动来调节功率，因此与定桨距风力发电机组相比，具有在额定功率点以上输出功率平稳，在额定点具有较高的风能利用系数，确保高风速段的额定功率，具有更强的的转轮制动性能等特点[1]。经使用，市场中较为成熟的有丹麦的VESTAS的V39/V42/V44-600kW机组和美国Zand的Z-40-600kW机组[2]。
 
为了达到变速控制的要求，变速风力发电机组通常包含变速发电机、整流器、逆变器和变桨距机构。变速发电机目前主要采用双馈异步发电机。在低于额定风速时，通过整流器及逆变器来控制双馈异步发电机的电磁转矩，实现对风力机的转速控制；在高于额定风速时，考虑传动系统对变化负荷的承受能力，一般采用节距调节的方法将多余的能量除去。
 
美国GE的兆瓦级风力机基本都采用变速变桨距调速控制来确保空气动力效率，减小驱动负载，降低成本，延长寿命。目前的兆瓦级电机都采用了GE特有的核心技术：WindVAR电子控制系统，将风力机的变速运行转换至所需要的恒频动力，可以实时调整电压的波动，控制网内电力输送的质量，提高传动效率[3]。并以无刷式双馈电机替代笼型异步电机，应用于调速驱动，可降低30%的成本[4]。
 
德国的VENSYS62/1200型1.2MW变速恒频直接驱动型风力发电机组应用于农村电气化领域风力发电及农村新能源开发技术，主要性能指标为——
功率
1200KW
叶片数
3叶片
类型
叶轮
直径
62m
扫风面积
3018m2
轮毂高度
69m
叶轮转速
11-20rpm
额定风速
12m/s
切入风速
3m/s
切出风速
25m/s
最高安全风速
59.7m/s
风力机概念
无齿轮箱
变速变桨发电机
1200KW同步永磁电机
 
 
（资料来源：中国水利科技网）
 
国内金风科技股份有限公司和德国企业合作开发的金风62/1200风力发电机组采用水平轴、三叶片、上风向、变浆距调节、变速恒频、直接驱动、永磁同步发电机并网的设计方案，其中省去的齿轮箱使传动系统部件减少，降低机械损失，提高机组的可靠性和生产、运行效率[7,8]。下表为部分风力机制造商所申请的变桨距、变速恒频风力机的相关专利：
 
专利号
专利名称
申请人
申请日/
公开日
同族专利
CN1427149
兆瓦级变速恒频风电机组
沈阳工业大学
2003.7.2/
2002.11.13
 
CN 2580137
一种变速恒频风电机组变桨距装置
沈阳工业大学
2003.10.15/ 2002.11.13
 
CN2580136
一种变速恒频风电机组增速装置
沈阳工业大学
2003.10.15/ 2002.11.13
 
WO0191279
VARIABLE SPEED WIND TURBINE HAVING A MATRIX CONVERTER
VESTAS WIND SYSTEMS AS (DK)
2001.11.29/2001.5.23
EP0253294
US5594636
US5949672
US5083039
AU9073582
US2004222642
Variable speed wind turbine having a passive grid side rectifier with sca- lar power control and dependent pitch control
VESTAS WIND SYSTEMS AS (DK)
2004.11.11/2004.6.1
US6856041
US2004217596
Variable speed wind turbine having a passive grid side rectifier with scalar power control and dependent pitch control
VESTAS WIND SYSTEMS AS (DK)
2004.11.11/2004.6.1
US6853094
US2004217595
Variable speed wind turbine having a passive grid side rectifier with scalar power control and dependent pitch control
VESTAS WIND SYSTEMS AS (DK)
2004.11.11/2004.6.1
US6856040
JP2004009823
VARIABLE PITCH BLADE AND THRUSTER
MITSUBISHI HEAVY IND LTD
2004.1.15/2002.6.5
 
JP2001099045
BLADE PITCH VARIABLE MECHANISM FOR WIND MILL
MITSUBISHI HEAVY IND LTD
2001.4.10/1999.10.1
 
WO0061942
DEVICE FOR ADJUST- ING THE PITCH OF THE BLADES OF A WIND TURBINE AND A METH- OD FOR STOPPING THE ROTATION OF THE MAIN SHAFT
NEG MICON A S (DK);; VI- LSBOELL NIELS(DK);; NIELSEN THOMAS KRAG (DK)
2000.10.19/2000.2.23
 
FR2790614
speed generator with constant voltage and frequency esp. for wind-power appli- cations, comprises rotor enclosed wi- thin stator, itself rotatable on shaft concentrically enclosing rotor's
CARRE FRANCOIS (FR)
2000.9.8/1999.3.3
 
 
可以发现，国内以沈阳工业大学为主的研究机构对变桨距、变速恒频风力机已有了研究成果，并有报道称其参与完成了兆瓦级变速恒频双馈异步风力发电机的试制[9]；丹麦的VESTAS公司作为国际上风力机技术、产品领先的公司，在该领域的专利数量比重较大；日本三菱重工近年也已经突破了该项技术，应用于大中型风力发电机[10,11]。
 
参考文献
1.标题：风力发电机组的控制技术
出处：机械工业出版社 2002年6月第一版
2.标题：变桨距风电机组的优点
出处：WindStdts 1991年秋季刊
出处：风力发电 2004,20(4) 31～32
3.标题： GE Energy’s Advisory Services Team Answers Wind Questions
for New York State
出处：http://www.gepower.com/home/index.htm
4.标题： 2.7/2.5/2.3wind turbine
出处： http://www.gepower.com/home/index.htm
Design of a brushless doubly-fed induction motor for adjustable speed drive application
GE-Corporate Research and Development Cent, Schenectady, NY, USA
5. 标题： 1.2MW变速恒频直接驱动型风力发电机组
出处：http://www.cws.net.cn/market/productioninfo.asp?myid=1
6.标题：新型风力发电系统
出处：高电压技术 2005，31(1) 63～65
7．标题: 新疆将诞生世界最大数量级海风发电机
出处：变频器世界 2004, (7) 22
8．标题: 我国研制成功兆瓦级变速恒频双馈异步风力发电机
出处： 自动化信息2005，(1) 6
9. 标题：Variable Speed Gearless Wind Turbine
出处：http://www.mhi.co.jp/nsmw/mwt/en/gearless.html
10.标题:The first 2000kW Wind Turbine Generator in Japan starts
operation at Okinawa
出处: http://www.mhi.co.jp/power/e_power/topics/2003/may­­_05.
html