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流体传动储能风电机的九大优势_5

发表于:2019-11-15 10:35 作者:新闻小编 来源:新闻小编

  流体传动风电机的原理就是叶轮带动流体泵运转,泵出的流体通过管路输送,配置储压包,可以使流体能量的输出更加平稳,带有压力的流体将驱动流体马达转动,流体马达带动发电机转动。由于流体马达可以很容易实现增速、调速以及稳定转速的功能,完全可以保证发电机的恒速恒频运转。因此保证入网的风电与电网的同频同相等要求将很容易实现,将会保证并网的稳定性,并网难题将会解决!

  流体传动的特点是柔性传动,不怕过载,结构简单,寿命长,对大幅降低成本和降低故障率有绝对的优势。流体传动的另一个特点是可以远距离传送和储能,流体传动我们可以采用液体和气体作为介质。气体没有成本,储能装置结构简单,因此采用压缩空气储能成本最低,可以大量配置,最具有应用推广价值。储能装置可以克服风能的波动性和间歇性,无论高风速还是低风速都能储能发电,保证输出风电的稳定性,可以解决并网难题。所以,新型流体传动储能风电机可以克服现有风电机的全部缺点。

  新型流体传动储能风电机直观的讲就是用流体传动取代了双馈机型齿轮箱的刚性传动,解决了齿轮箱传动故障率高的问题;另一方面解决了直驱机型中,直驱电机体积过大、用铜量高、稀土用量大、制造成本高的问题。还有一个优点就是省掉了并网装置,采用三相同步发电机直接发电上网,保证了并网的稳定性。

  所以流体传动风电机是国外重点研发的前沿技术。流体传动储能风电机具有抗台风功能,不怕过载,低风速发电性能高,可以成倍提高发电量,具有储能装置,可以保证并网的稳定性,可以采用组合方式形成大功率风电机组,成本可以大幅降低,可以使风电的成本小于火电的成本,风电将成为真正价格低廉的清洁能源,风电的竞争优势会得到充分发挥,风电的应用将面临爆发式发展。

  新型流体传动储能风电机组将大量应用在低风速分布式小型风电场的建设上,也适合与大型风电机配套使用,大幅提高风电场的发电效率;由于具有抗台风功能,也适合在沿海经济发达地区开发小型风电场,也适合在中小企业建立独立的风电供电源,为企业节能减排贡献力量,将来中小型储能风电机组就会象汽车一样普及。总之,新型流体传动储能风电机将在我国开发陆地和沿海风电场的建设中贡献巨大的力量,也将促进我国风电产业健康快速发展。下面总结其九大竞争优势。

  第一、解决核心控制系统复杂的问题

  控制系统是风电技术的核心技术,目前主要依赖进口。风电机工作环境复杂恶劣,风电机控制系统无论从硬件还是从软件来讲都有非常高的要求。首先从硬件来讲,风电机的控制系统随风机安装在恶劣的自然环境中,有沙尘、酸雨和冰雪的侵蚀对感应系统的影响,有大范围的温度变化、雷电等强电磁干扰对精度的影响,工作环境振动较大、工作时间长对寿命的影响很大,因此控制系统硬件要求比一般系统要高得多。从软件来讲,风电机的运行工作环境非常恶劣,首先要保证运行安全;其次要智能化,要根据二三维数据实现不同的控制方略,有效的实现自动控制,适应各种运行状态;风电机控制系统的主要任务是功率控制,控制变桨系统和偏航系统实现在较低风速下最大捕获风能、实现在中等风速下的稳定运行和在较大风速下的稳定并网及防止过载运行;控制系统的研发需要经过长期的实验数据积累,而且其各项参数的设定与风电机本身和运行环境都联系紧密,非一朝一夕之功,国内企业要完全自主掌握确实需要一定时间。

  虽然控制系统很复杂,但控制效果还是不能令人满意,控制系统也常容易出问题。现有风电机非常庞大,调整过程很缓慢,而风速和风向是瞬间变化的,特别是风切变对风电机的破坏性很大,而控制系统往往存在滞后性,调整过程就成为问题的发生过程。还有沙尘、雨雪和冰冻的影响,必然造成传感系统的失误和失灵,控制系统也不可能正确控制。所以控制系统不可能做到灵活及时,不可能万无一失,造成风电机脱网和破坏也是不可避免的事。

  而流体传动风电机最大优点就是省掉了控制系统,因为不需要进行叶片转速的控制,也不需要进行功率控制。流体传动最大特点就是不怕过载,如果出现过载,只是泵出的液体或气体多一些,当储能装置达到极限,通过减压阀就可以防止过载,所以不需要进行功率控制。因此,风机的头部功能就变得非常简单,只需要把流体输出到地面的储能装置就可以了,完全省掉了风电机核心控制系统,也就避免了风电核心技术对我国风电产业发展的束缚。

  第二、省掉了偏航装置和变浆距装置

  现有风电机的控制装置主要有偏航装置和变浆矩装置,我们知道自然界的风向和风速都是随时随机变化的,我们的调节装置虽然可以根据风向和风速调整,但在速度上始终是滞后的,并不能完全满足风电机平稳发电的需要。比如在自然界中风向呈90变化是经常发生的,偏航装置和变浆矩装置的响应速度若是1/秒,90就需要90秒的调整时间,在这么长的调整过程中,风轮叶片所受的风力角是完全不同的,也就是叶片所受的风力是变化的,必然造成风轮转速的不稳定,从而影响到风电机输出功率的稳定,严重时就会造成风电机解网,造成电网的不稳定。这种调节的滞后性在强风暴的气候条件下,往往会造成严重的后果,在高风速情况下叶片处于顺浆位置,若风向发生90变化,就会使叶片完全处于大面积受风的状态,使叶片受力突然增大,叶片受到的强大风载就会通过传动轴对变速装置造成巨大的冲击,巨大的风载也会对偏航装置造成冲击,造成变速装置和偏航装置的冲击破坏,叶片的受力也大幅增加,也有可能被折损坏。

  偏航装置和变浆矩装置的功能就是控制叶轮的转速和风电机的功率输出。而流体传动风电机不需要进行功率控制,也不需要进行叶轮转速的控制,所以可以省掉偏航装置和变浆矩装置。

  第三、大幅降低故障率,实现免维护

  现有大型风电机故障率高,维护费用高也是造成风电成本高的主要因素。为什么会造成故障率高?我们通过简单的量化计算就可知道它的危害程度,我们以1.5MW风电机为例进行说明,设计风速为13m/s,产生的能量为1.5MW,可转换为152958kgfm/s,其能量核算在叶片上的风载可达152吨。若12级台风的平均风速为34m/s,而风的能量与风速的关系是三次方的关系,那么在台风状态下叶片产生的风载将达千吨以上,这个数值是相当惊人的。我们知道风电机的控制系统有卸载功能,但任何控制系统都存在滞后性,不可能对叶片及时完全卸载,这样大的风载形成的冲击力是任何机械装置都无法承受的,我们设计制造的变速装置很大,强度也非常高,但仍不能避免这种冲击力对变速装置的损坏。变速箱的故障率可以达到100%,造价昂贵的变速箱一般需要在10年后更换,造成高昂的维护费用。强风载还会造成叶片、主轴和偏航装置的损坏,还会造成风电机剧烈振动,这对风电机的破坏也是很强的,往往造成疲劳损坏和高故障率。

  新型流体传动风电机可以大幅降低故障率,首先风机头的结构变得非常简单,只有叶片、主轴和流体泵构成,运动的主要部件只有流体泵,而泵的结构很简单,主要结构就是缸体和活塞,不容易出故障。而且通过限压阀就可以避免风电机不会出现过载破坏。叶轮带动流体泵转动,叶片产生的冲击载荷也会被吸收,化解风的破坏力。所以,对于流体传动风电机来讲过载的情况是不存在的,出现故障的几率也很低,完全可以实现免维护,这种优良性能对于长期运行在野外的、维护非常困难的风电机具有重大意义。

  第四、可以保证输出功率的稳定,保证并网稳定性

  大型风电机由于发电量大,必须并网运行。电网对入网的风电有着极其严格的技术指标,入网的风电必须能够满足电网的稳频、稳压和稳相要求。自然风是不稳定的,因此风电机所发出的电也是不稳定的,不稳定的风电将会对电网产生巨大冲击,导致电网崩溃或设备损坏。为了满足并网的苛刻条件,风电机从最初的失速叶片到现在的变浆距技术,以牺牲风电机的最佳动力学特性和最佳风能区间为代价,造成风电成本翻番、风能利用系数下降30%以上,但仍然没有解决并网稳定性问题。保证并网稳定性是近三十年研究的重点,也是难点,大规模风电机并网至今仍是世界性难题。

  解决风能波动性和间歇性的有效措施是增加储能装置,利用储能装置起到削峰填谷的作用,保证风电的稳定输出。新型流体传动储能风电机将使并网变的非常简单,每台风机只需将流体通过管路输送到地面的总储压包和储能装置,储能装置保持恒压输出,连接流体马达带动发电机恒速恒频稳定发电。发电机可采用同步励磁发电系统,直接发电上网,可以采取690伏低压和10千伏高压发电机组两种供电方式,省掉了变流器并网装置。如果采用10千伏并网发电,可直接对110千伏电网输电,还能省去传统机型的箱式变压器,从而实现了大幅度降低并网综合成本的目的。

  第五、可控性好,可以解决大型风电场的并网难题

  大规模风电机并网是一个世界性难题,是由风能的特性和风电机的性能决定的。比如在德国,绝大多数风电场装机容量小于5万千瓦,当风速和风向变化很大时,风电机不稳定,不能满足并网条件,此时风电机可以随时脱网;风电机稳定后,又可以随时入网,不会对电网造成太大的冲击。

  我国现在建设的有八大风电基地,由于没有重视并网难题,现在不但面临严峻的并网难题,而且使并网问题变得更加复杂。首先每个风电基地都有若干个小风电场,每个风电场的机型都是不一样的,给统一调控造成一定困难。还有电网兼容性较差的问题也逐渐暴露出来,比如风电基地中有双馈机型,有直驱机型,电网中肯定有谐波和杂波,若直驱机型按电网取样进行变流,有可能造成相位和频率的漂移,使输出的风电质量变差,造成电网的兼容性越来越差,给并网造成了更大的困难。最大的调控难题就是风电场的规模太大,现有风电场的规模已达几百万千瓦,风有波动性和间歇性,风电场的功率就有可能从零升高到几万千瓦~百万千瓦,这样大的波动电流使电网的调峰异常困难,甚至是不可能实现的。

  我国现在已开展建设风电场功率预测系统和风电出力自动控制系统,实现在功率预测基础上的有功功率和无功功率控制能力。要求风电机具备低电压穿越运行能力(LVRT),特别是双馈型风机。这些措施国外早就实施了,但实际效果并不理想,风的大小随时都在改变,预测系统与实际风能情况相符的很少,如此巨大的风电场产生的冲击电流瞬间就能让电网瘫痪。所以用现有风电技术是不可能解决并网难题的!必须采用新技术和新的可控系统。

  我们要保证风电场发电量的稳定输出,必须控制每一台风电机的稳定输出。要解决风能的波动性就必须配置储能装置,流体储能装置结构最简单,成本最低,适合大量配置,并可以实现灵活调控。因此大力发展新型流体传动储能风力发电机是解决大规模风电机并网的最可行方案。

  新型流体传动风电机的应用还可以省掉调峰电源的配置。风电占我国总发电量的比例还比较小,随着我国智能电网的建设,全国各大电网将连成一片,首先不同区域的风电可以进行互补,电网中还有火电、水电、核电,这些都是可调节的发电源,我们可以根据风能预测系统,根据各风电场的发电情况和储能量,有充足的时间调整电网中的发电源进行发电量的平衡。所以配置储能装置的新型气体传动储能风电机对解决风电三峡并网难题意义重大。

  第六、采用组合方式,提高运行效率

  现有风电机正在向单机大功率方向发展,已发展到5MW、6MW,质量和性能让人担忧。我们知道风是一种能量,有间歇性和破坏性。5MW风电机叶轮的直径达到120米以上,塔高达到100米。从运动学的角度来分析,叶片越长叶尖的线速度越高,受到的阻力越大,获取风能的效率就会降低;从风电机的性能上分析,叶片越长,叶片受到的风载就越大,等于放大了风能的破坏性和不稳定性。所以,叶片越来越长会造成风电机的发电效率降低,会造成风电机的高故障率和输出风电的不稳定,造成维护费用高和并网难题。随着风电机组的大型化,发电效率低、故障率高、并网稳定性差等问题问题越来越突出,并已严重影响到风电产业的发展。所以,单机大功率、大叶片不应该成为发展方向,而应该采用组合的方式提高发电效率、大幅降低故障率。

  流体传动可以把组合的优势充分发挥出来,流体传动的优点是可以远距离传送能量,我们可以采用几十个、甚至上百个风机进行组合,每个风机的功率在十几千瓦左右,塔架的高度30~40米,这样可以大幅减小风机头受到的风载,避免风的破坏性。从成本上来讲,每个风机只有气泵和叶片构成,成本很低,大量配置仍然低于现有风电机的成本,而且经过集中储能后,发电设备的成本会大幅降低,并可以大幅提高风机的运行效率,大幅降低维护费用,因此总的投资成本仍然会大幅降低。所以,流体传动风电机可以通过组合实现大功率发电,可以达到几MW到十几MW以上,并在降低故障率和提高发电效率方面具有优势。

  第七、具有优良的抗台风能力

  台风对我国沿海风电场造成的损失也是巨大的,2003年13号台风杜鹃,2006年1号台风珍珠和8号台风桑美分别造成了广东汕尾红海湾风电场,南澳风电场和浙江苍南鹤顶山风电场的风机严重损毁,大部分风电机被刮倒,有的叶片折断、主轴断裂和变速箱损坏,损失巨大。从资料上显示,这些风电场最大风电机的功率是600KW,而现在研发的海上风电机达到了3MW~5MW,因此风电机所受到的风载将大幅增加,而且现在风电场的规模是以前的几十倍,如果遭到台风破坏后果不堪设想。

  新型抗台风储能风电机具有优良的抗台风性能,采用全新结构和原理进行设计。流体传动是一种柔性传动,过载只是引起流体升高,通过泄压阀就可以卸载,完全避免了风能的冲击破坏。采用组合方式减小风载,大幅减轻了风机头部的重量,风机头部只有叶片、主轴和流体泵,改善了头重脚轻的受力状态。压缩空气储能装置具有恒压保持功能,当超过储存容量时,可以通过限压阀进行卸压,保证储能装置压力的稳定。因此就是在台风的作用下,储能装置也能带动流体马达稳定的运转,保证风电稳定的输出,保证并网的稳定性,保证在台风状态下正常发电。这个性能其它风电机是无法做到的。

  第八、安装方便,发电性能高,满足分散式风电场的需求

  国家能源局副司长史立山表示,总结风电发展经验,未来我国将不再一味发展大型风电基地,也鼓励分散式开发。在风电发展方向上,过去提倡建立大基地融入大电网促进了风电规模化发展,但当前更希望在此基础上,支持资源不太丰富的地区,例如云南、安徽、湖北、湖南、山东、山西、重庆、贵州、西藏和四川等地,发展低风速风电场,倡导分散式开发。

  这些少风地区多是丘陵、山区,将大幅增加安装成本,运输是一个很大问题,面临的是修路、架桥,现有风电机的功率达到了几MW,每个机舱的重量达到了上百吨,叶片的长度达到了五、六十米,塔架的高度达到八十米以上,这些都给运输和安装增加了非常大的难度;不像内蒙古和甘肃都是草原和戈壁,基本不用修路,这些不利条件都给这些地区风电场的建设增加了难度和成本。还有建立风电功率预测系统的难度也会加大,丘陵、山区气候变化很快,风速就会更不稳定,地形对风速的影响也会变大,不同的区域会有不同的风速,要提高预测的精度,就必须增加测试点,就会加大投资成本;如果不增加测试点预测就没有精度,预测系统将形同虚设。

  总之,在这些低风速地区建设风电场将面临很多不利因素,发电量的降低,投资成本的加大,风电场要想收回投资成本将变得遥遥无期。技术创新是促进大发展的唯一出路!采用新型流体传动储能风电机是最佳选择,新型风电机适应风速是二三四五级风,完全符合低风速风电场的性能要求,风电机的设计风速也可以降低到8米/秒~10米/秒,这样可以使风电机满负荷的工作时间更长,成倍的增加发电量,大幅提高风电场的效益。新型风电机安装方便,风机的头部只有叶片和流体泵组成,叶片可以现场进行组装,在丘陵和山区安装和运输都非常方便。采用集中储能发电,可以大幅降低成本,提高运行效率。储能装置的配置可以实现风电输出的人为控制,因此风电功率预测系统的作用就可有可无,省掉也是完全可行的。

  第九、实现与大型风电机组配套,促进风电场大发展

  目前我国大型风电场建设已形成规模,有国家规划建设的八大风电基地,还有一些地方建设的风电基地,2011年中国累计装机容量已达到6200万千瓦,继续成为世界第一。大型风电场是我国重点发展的新能源建设项目,但现在面临严重的并网难题,有1/3的风电机无法并网,还有发电效率低,建成的风电场基本处于亏损运营状态。这些问题严重阻碍了我国风电产业的发展,解决并网难题和消纳难题已经成为我国风电产业非常紧迫的任务!

  中型储能风电机与大型风电机的配套使用有利于解决并网难题和消纳难题。国家规划建设的八大风电基地每个装机容量都达到千万千瓦以上,由于风能具有间歇性和波动性,风电的输出就会产生波动性,有可能从零升到千万千瓦,也有可能从千万千瓦下降到零。风电场输出风电的大幅波动必然会对电网造成冲击,并网的稳定性很难保证,甚至会造成电网瘫痪。因此必须配置调峰电源,目前火电、抽水蓄能、化学储能等调峰电源的投资都很大,成本很高,无法大量配置。只有空气储能成本最低,适合大量配置。新型风电机配置压缩空气储能装置,对保证风电场的稳定输出具有显著的帮助作用,储能装置可以起到消峰填谷的作用,可以提高风电场并网的稳定性,如果新型风电机得到大量应用,储能装置达到一定规模,完全可以满足平时风电场的调峰要求,保证风电场输出风电的稳定,可以解决现有风电场的并网难题。

  中型储能风电机的大量应用还可以大幅提高风电场的效益。大型风电机组适应的风速是五六七级大风,而新型流体传动储能风电机组适应风速是三四五级风。大型风电机组的高度是80~90米,而新型流体传动储能风电机组中型风电机的高度是30~40米。我们可以在风电场的大风机间隙中设立中型风电机组,大型和中型风电机搭配、高风速风电机和低风速风电机搭配实现了发电性能和高度上的互补,可以大幅提高风电场风能的利用效率,中型流体传动储能风电机可以大幅提高低风速的发电量,可以大幅提高风电场的效益。可以使风电场从追求装机数量到追求发电量、追求风电场效益的转变。

  降低风电成本是解决消纳问题的根本出路。新型储能风电机的成本只是现有风电机成本的30%,可以大幅降低投资成本;安装简单方便,可以大幅降低安装费用;基本实现免维护,可以大幅降低维护费用。由于新型储能风电机设计风速可以降低到8~10米/秒,可以大幅提高低风速的发电量,可以提高发电量2~3倍。这些优势完全可以使风电的成本小于火电的成本,风电的竞争优势就会凸显。如果风电的成本低,对于电网公司来说肯定希望吸收更多的风电,利用风电可以大幅提升电网公司的效益,首先可以从利益上解决并网的不利因素。风电的成本低于火电的成本也就解决了消纳难题,风电的成本低肯定会得到优先应用。近水楼台先得月在风电场的建设地区肯定会首先利用风电,甚至有可能出现供不应求的局面。所以,新型流体传动储能风电机的开发将促进风电场建设的大发展。

  新型流体传动储能风电机解决了并网难题和消纳难题,可以大幅降低风电场投资成本,可以省掉调峰电源的配置,可以省掉大量的配套投资,将扭转风电场亏损运营的局面。新型风电机的应用可以使风电场在现有基础上以小投资带来大收益,带来的赚钱效应会带动新一轮的风电投资热潮,必将推动我国大型风电基地建设的健康快速发展。

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