兆瓦级垂直轴风力发电机组的关键技术研究

摘要

保持经济持续、快速发展与维持生态平衡、保护环境的矛盾是当前国际社会也是我国面临的首要问题，为了保护我们赖以生存的地球环境资源，中国和国际社会、特别是发达国家一道为减少碳排放、提高能效，做出了重要的承诺，在未来的经济活动中采用清洁能源替代技术、可再生能源技术、新能源技术来代替化石能源。相对传统能源领域，风能利用技术正在走向成熟，因而风能在施工周期、投资方式上优势明显，具有较好的社会、经济效益。
　　 我国在风电的理论研究、工程应用方面与发达国家相比存在很大差距，目前技术条件下的风电成本、并网电能质量以及设备制造和控制技术等均处于劣势。国内对风电产品的需求迫切，风电技术的研究基础薄弱，风电机组大型化、形式多样化等技术问题尚待解决，诸多缘由促使我国逐渐沦为国际风电行业巨头的垃圾产品倾销市场和新产品试验田。因此，深入研究各项风电技术对风能的持久开发、高效利用以及形成自主创新设计、取得自主知识产权的风电产品具有重要的现实意义。
　　 风电技术属于综合性系统工程，涉及空气动力学、计算流体力学、自动控制、电机学等诸多学科。目前，随着新技术、新材料的应用，突破传统形式的风电机组逐渐成为风电领域的研究热点。风电机组是非线性的复多变量杂系统，而且风能具有时变性和不稳定性，因此，对新形式风电机组关键技术的研究是解决机组运行安全、经济高效的关键。
　　 本文针对垂直轴风力发电机组的关键技术展开研究，主要内容归纳如下：
　　 1)基于贝茨理论、动量理论等风力机建模的基础理论以及低速翼型的空气动力学特性，建立了垂直轴风力发电机动力装置的非线性理论模型，综合考虑Re、计算攻角的修正值等对翼型空气动力学特性的影响。基于该风轮模型，分别对H型垂直轴风力发电机、美国圣地亚国家实验室34米直径的垂直轴风力发电机以及浙江大学40米垂直轴风力发电机完成了算例分析，围绕风轮的风能利用系数、风轮输出扭矩以及叶片的气动载荷等主要问题分别进行了讨论，分析了不同形式的风轮在不同风速、叶片处于不同位置以及风轮转速对叶片空气动力学性能和风轮输出扭矩的影响，在此基础上完成该模型的进一步优化设计。
　　 2)根据垂直轴风力机风轮模型的分析结果，总结出翼型攻角平面图解方法：“矢量-圆”法，即：远端风速矢量一定时，空间中处于任意位置、圆周运动的叶片，通过建立以风力机风轮旋转过程中的叶片切向速度值为半径的圆，在圆心处建立以远端风速为一个轴的直角坐标系，叶片运动的位置滞后于叶片切向速度π/2，相对风速与远端风速、叶片切向速度组成矢量三角形关系，攻角α为此矢量三角形中叶片切向速度、相对风速的夹角或其补角。文中完成了“矢量-圆”法的理论推导，该方法属于创新性研究，对今后风轮模型的进一步研究工作具有指导作用。
　　 3)根据兆瓦级永磁同步发电机的电磁设计和其结构的几何特点，基于集总参数法建立发电机的等效热路模型，该模型对内转子发电机具有通用性，为同类型产品的温升计算提供了理论依据。
　　 4)基于热交换定律编制了电机内热交换微分方程，采用有限差分来近似代替微分，利用等效热路图的计算结果来确定热联系，将温度场求解域内的导热偏微分方程及边界条件，转化为成适用于计算区域内部和边界上各个节点处的差分方程组；基于迭代法求解方程组，可得到电机求解域温度的分布。该温升计算方法对电机的设计、试验提供了理论指导。
　　 5)根据永磁同步发电机的特点，对兆瓦级垂直轴风力发电机的并网控制策略进行了研究，提出了基于背靠背双脉宽调制整流器的并网控制策略和基于双电压源型脉宽调制整流器的并网控制策略，建立了兆瓦级风电机组全功率控制并网策略的等效电路模型。该并网策略等效电路模型中，发电机侧与永磁同步发电机定子连接的电压源型脉宽调制整流器采用直接电流控制，控制系统结构为同步坐标系下的直流电压外环、交流输入电流内环的双闭环级联结构，与网侧基于三相电压源型脉宽调制逆变模块共同构成的双脉宽调制整流器或双电压源型脉宽调制整流器电路模型，其拓扑结构的通用性较强，在整流器建模、控制算法以及提高其故障运行能力等方面具有优势；同时，永磁同步发电机侧和网侧整流器都使用基于数字信号处理器的数字化控制，采用矢量控制，控制方法灵活，具有四象限运行功能，能够实现对永磁同步发电机的调速和并网电能的质量控制。该并网控制策略有利于解决风电机组并网对电网产生的谐波污染、电压波动、电流不平衡，对今后我国大型风力发电机组并网发电具有重要的现实意义。