风力发电机系统对比分析

　　 
　　动力与环境问题已经成为全球可持续开展面对的首要问题，日益引起国际社会的广泛注重，并寻求活跃的对策。风能是一种可再生、无污染的绿色动力，是取之不尽、用之不竭的，并且储量非常丰富。据估计，全球可使用的风能总量在53000TWh/年。风能的大规模开发使用，将会有效削减化石动力的运用、削减温室气体排放、维护环境。大力开展风能已经成为各国政府的重要选择。 
　　 
　　在风力发电中，当风力发电机与电网并联工作时，要求风电频率和电网频率坚持一致，即风电频率坚持安稳，因而，风力发电体系分为恒速恒频发电机体系（CSCF体系）和变速恒频发电机体系（VSCF体系）。恒速恒频发电机体系是指在风力发电过程中坚持发电机的转速不变然后得到和电网频率一致的恒频电能。恒速恒频体系（CSCF体系）一般来说比较简略，所选用的发电机首要是同步发电机和鼠笼型感应发电机，前者工作于电机极数和频率所决议的同步转速，后者则以稍高于同步转速的速度工作。变速恒频发电机体系（VSCF），是指在风力发电过程中发电机的转速，并以随风速改动而经过其它的操控方法来得到和电网频率一致的恒频电能。 

　　 
　　1恒速恒频发电体系 
　　 
　　现在，单机容量为600kW～750kW的风电机组多选用恒速工作方法，这种机组操控简略，可靠性好，大多选用制作简略，并网容易，励磁功率可直接从电网中取得的笼型异步发电机。恒速风电机组首要有两种类型：定桨距失速型和变桨距风力机。定桨距失速型风力机使用风轮叶片翼型的气动失速特性来约束叶片吸收过大的风能，功率调理由风轮叶片来完结，对发电机的操控要求比较简略。这种风力机的叶片结构杂乱，成型工艺难度较大。而变桨距风力机则是经过风轮叶片的变桨距调理组织操控风力机的输出功率。因为选用的是笼型异步发电机，无论是定桨距还是变桨距风力发电机，并网后发电机磁场旋转速度由电网频率所固定，异步发电机转子的转速改动规模很小，转差率一般为3%~5%，属于恒速恒频风力发电机。 
　　 
　　1.1定桨距失速操控 
　　 
　　定桨距风力发电机组的首要特点是桨叶与轮毅固定衔接，当风速改动时，桨叶的顶风视点固定不变。使用桨叶翼型自身的失速特性，在高于额外风速下，气流的功角增大到失速条件，使桨叶的外表发生紊流，功率下降，到达约束功率的意图。选用这种方法的风力发电体系操控调理简略可靠，但为了发生失速效应，导致叶片重，结构杂乱，机组的全体功率较低，当风速到达一定值时有必要停机。 
　　 
　　1.2变距调理方法 
　　 
　　在现在运用较多的恒速恒频风力发电体系中，一般状况要保持风力机转速的安稳，这在风速处于正常规模之中时能够经过电气操控而确保，而在风速过大时，输出功率持续增大可能导致电气体系和机械体系不能承受，因而需求约束输出功率并坚持输出功率安稳。这时就要经过调理叶片的桨距，改动气流对叶片攻角，然后改动风力发电机组取得的空气动力转矩。因为变桨距调理型风机在低风速时，可使桨叶坚持良好的攻角，比失速调理型风机有更好的能量输出，因而，比较适合于均匀风速较低的区域设备。变桨距调理的别的一个长处是在风速超速时能够逐步改动到无负载的全翼展方法位置，防止停机，添加风机发电量。对变桨距调理的一个要求是其对阵风的反应灵敏性。 
　　 
　　1.3自动失速调理 
　　 
　　自动失速调理方法是前两种功率调理方法的组合，吸取了被迫失速和变桨距调理的长处。体系中桨叶规划选用失速特性，调理体系选用变桨距调理，然后优化机组功率的输出。体系遭受强风到达额外功率后，桨叶节距自动向失速方向调理，将功率调整在额外值以下，约束机组最大功率输出。 
　　 
　　跟着风速的不断改动，桨叶仅需微调即可保持失速状态。别的，调理桨叶还可完成气动刹车。这种体系的长处是既有失速特性，又可变桨距调理，进步了机组的工作功率，减弱了机械刹车对传动体系的冲击。体系操控容易，输出功率平稳，执行组织的功率相对较小。 
　　 
　　1.4首要缺陷 
　　 
　　恒速恒频风力发电机的首要缺陷有以下几点：一是风力机转速不能随风速而变，然后下降了对风能的使用率；二是当风速骤变时，巨大的风能改动将经过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，在这些部件上发生很大的机械应力;三是并网时可能发生较大的电流冲击。 
　　 
　　现在的恒速机组，大部分运用异步发电机，在宣布有功功率的同时，还需求耗费无功功率（一般是设备电容器，以补偿大部分耗费的无功功率）。而现代变速风电机组却能非常精确地操控功率因数，甚至向电网运送无功功率，改进体系的功率因数。因为以上原因，变速风电机组越来越遭到风电界的注重，特别是在进一步开展的大型机组中将更为引人注目。 
　　 
　　当然，决议变速机组规划是否成功的一个关键是变速恒频发电体系及其操控设备的规划。 
　　 
　　2变速恒频发电体系 
　　 
　　使用变速恒频发电方法，风力机就能够改恒绎技能沟通速工作为变速工作，这样就可能使风轮的转速随风速的改动而改动，使其坚持在一个安稳的最佳叶尖速比，使风力机的风能使用系数在额外风速以下的整个工作规模内都处于最大值，然后可比恒速工作获取更多的能量。尤其是这种变速机组可适应不同的风速区，大大拓宽了风力发电的地域规模。即便风速跃升时，所发生的风能也部分被风轮吸收，以动能的方法贮存于高速工作的风轮中，然后防止了主轴及传动组织承受过大的扭矩及应力，在电力电子设备的调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能，送入电网，然后使能量传输组织所受应力比较平稳，风力机组工作更加平稳和安全。 
　　 
　　风力发电机变速恒频操控计划一般有4种： 
　　 
　　（1）鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电体系； 
　　 
　　（2）沟通励磁双馈发电机变速恒频风力发电体系； 
　　 
　　（3）无刷双馈发电机变速恒频风力发电体系； 
　　 
　　（4）永磁发电机变速恒频风力发电体系。 

　2.1鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电体系 
　　 
　　选用的发电机为鼠笼式转子，其变速恒频操控战略是在定子电路完成的。因为风速是不断改动的，导致风力机以及发电机的转速也是改动的，所以，实践上鼠笼式风力发电机宣布的电是频率改动的，即为变频的，经过定子绕组与电网之间的变频器把变频的电能转化为与电网频率相同的恒频电能。尽管完成了变速恒频操控，具有变速恒频的一系列长处，但因为变频器在定子侧，变频器的容量需求与发电机的容量相同，使得整个体系的本钱、体积和重量明显添加，尤其关于大容量的风力发电体系。 
　　 
　　2.2双馈式变速恒频风力发电体系 
　　 
　　双馈式变速恒频风力发电体系常选用的发电机为转子沟通励磁双馈发电机，其结构与绕线式异步电机相似。因为这种变速恒频操控计划是在转子电路完成的，流过转子电路的功率是由沟通励磁发电机的转速工作规模所决议的转差功率，该转差功率仅为定子额外功率的一小部分，所需的双向变频器的容量仅为发电机容量的一小部分，这样该变频器的本钱以及操控难度大大下降。 
　　 
　　这种选用沟通励磁双馈发电机的操控计划除了可完成变速恒频操控，削减变频器的容量外，还可完成有功、无功功率的灵活操控，对电网而言可起到无功补偿的效果。缺陷是沟通励磁发电机依然有滑环和电刷。 
　　 
　　现在已经商用的有齿轮箱的变速恒频体系，大部分选用绕线式异步电机作为发电机，因为绕线式异步发电机有滑环和电刷，这种摩擦接触式结构在风力发电恶劣的工作环境中较易出现故障。而无刷双馈电机定子有两套级数不同绕组，转子为笼型结构，无须滑环和电机，可靠性高。这此长处都使得无刷双馈电机成为当时研究的热门。但在现在，这种电机在规划和制作上依然存在着一些难题。 
　　 
　　2.3直驱型变速恒频风力发电体系 
　　 
　　近几年来，直接驱动技能在风电领域得到了注重。这种风力发电机组选用多极发电机与叶轮直接衔接进行驱动的方法，然后免去了齿轮箱这一传统部件，因为其具有许多技能方而的长处，特别是选用永磁发电机技能，其可靠性和功率更高，处于当今国际上领先地位，在往后风电机组开展中将有很大的开展空间。德国在2003年上半年所设备的风力机中，就有40.9%选用了无齿轮箱体系。直驱型变速恒频风力发电体系的发电机多选用永磁同步发电机，其转子为永磁式结构，无需外部供给励磁电源，进步了功率。其变速恒频操控也是在定子电路完成的，把永磁发电机宣布变频的沟通电经过变频器转变为与电网同频的沟通电，因而，变频器的容量与体系的额外容量相同。 
　　 
　　选用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合，省去了齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大削减体系工作噪声，进步可靠性。尽管因为直接耦合，永磁发电机的转速很低，使发电机体积很大，本钱较高，但因为省去了价格更高的齿轮箱，所以，整个体系的本钱还是下降了。别的，电励磁式径向磁场发电机也可视为一种直驱风力发电机的选择计划，在大功率发电机组中，它的直径大而轴向长度小。为了能放置励磁绕组和极靴，极距有必要足够大，它的输出沟通电频率一般低于50Hz，有必要装备整流逆变器。 
　　 
　　直驱式永磁风力发电机的功率高、极距小，况且永磁资料的性价比正得到不断提高，运用远景非常宽广。 
　　 
　　2.4混合式变速恒频风力发电体系 
　　 
　　直驱式风力发电体系不只需求低速、大转矩电机并且需求全功率变流器，为了下降电机规划难度，带有低变速比齿轮箱的混合型变速恒频风力发电体系得到实践运用。这种体系能够看满足直驱传动体系和传统处理计划的一个折中。发电机是多极的，和直驱规划本质上一样的，但它更紧凑，相对来说具有更高的速度和更小的转矩。 
　　 
　　2.5其它 
　　 
　　开关磁阻发电机和无刷爪极自励发电机也能够用在风力发电体系中。其间，开关磁阻发电机为双凸极电机，定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既无绕组也无永磁体，故机械结构简略、坚固，可靠性高。无刷爪极自励发电机与一般同步电机的区别仅在于它的励磁体系部分。其定子铁心及电枢绕组与一般同步电机根本相同。因为爪极发电机的磁路体系是一种并联磁路结构，所有各对极的磁势均来自一套共同的励磁绕组，因而与一般同步发电机相比，励磁绕组所用的资料较省，所需的励磁功率也较小。几种变速恒频操控计划的比较剖析如表1所列。 

    3离网型风力发电机体系 
　　 
　　一般，离网型风力发电机组容量较小，均属小型发电机组。可按照发电容量的巨细进行分类，其巨细从几百W至几十kW不等。自上世纪80年代初开始，中国的小型风力机制作工业，在政府的支持下，尤其是内蒙古自治区政府的大力拔擢，得到了引人瞩意图开展，十几万台小型风力发电机的出产和推广运用，为远离电网的农牧民处理根本的日子用电，尤其是照明和收听电台广播，作出了不开消灭的贡献。据统计，在上世纪80年代初期，国内有近百家小型风力发电机制作企业。跟着改革开放的不断深化以及社会经济的开展，这些小型风力发电机制作企业经过内部的调整和外部的整合，依据中国农村动力行业协会小型电源专委会的统计，到现在为止，全国有23家小型风力发电机出产企业，2005年共出产小型风力发电机32433台，装机容量为12020kW，产量8472万元，利税为993万元。国内出产的小型风力发电机，单机容量从60W到30kW不等。 
　　 
　　小型风力发电机按照发电类型的不同进行分类，可分为直流发电机型、沟通发电机型。较早时期的小容量风力发电机组一般选用小型直流发电机，在结构上有永磁式及电励磁式两种类型。永磁式直流发电机使用永磁铁供给发电及所需的励磁磁通；电励磁式直流发电机则是借助在励磁线圈内流过的电流发生磁通来供给发电及所需求的励磁磁通。因为励磁绕组与电枢绕组衔接方法的不同，又可分为他励与并励（或自励）两种方法。 


　跟着小型风力发电机组的开展，发电机类型逐步由直流发电机转变为沟通发电机。首要包含永磁发电机、硅整流自励沟通发电机及电容自励异步发电机。其间，永磁发电机在结构上转子无励磁绕组，不存在励磁绕组损耗，功率高于同容量的励磁式发电机；转子没有滑环，工作时更安全可靠；电机重量轻，体积小，工艺简便，因而在离网型风力发电机中被广泛运用，但其缺陷是电压调理功能差。硅整流自励沟通发电机是经过与滑环接触的电刷与硅整流器的直流输出端相连，然后取得直流励磁电流。 
　　 
　　可是因为风力的随机动摇会导致发电机转速的改动，然后引起发电机出口电压的动摇，这将导致硅整流器输出直流电压及发电机励磁电流的改动，并形成励磁磁场的改动，这样又会形成发电机出口电压的动摇。因而，为抑制这种连锁的电压动摇，安稳输出，维护用电设备及蓄电池，该类型的发电机需求装备相应的励磁调理器。电容自励异步发电机是依据异步发电机在并网工作时，电网供给的励磁电流对异步感应电机的感应电动势而言是容性电流的特性而规划的。即在风力驱动的异步发电机独立工作时，未得到此容性电流，须在发电机输出端并接电容，然后发生磁场树立电压。为保持发电机端电压，有必要依据负载及风速的改动调整并接电容的数值。我国的小型风力发电机工业总体是在向好的方向展，小型风力发电机及其于太阳能的互补体系在处理边远区域无电问题上作出了不可消灭的贡献。它的功率比同类太阳能体系来得大，能为更多的负载供给电力，甚至小型出产性负载，它的价位更易为宽广农牧民所承受，如果政府选用小风电或风光互补体系来处理农村无电问题，则政府得投入将比相同功率的太阳能体系少得多。可是，小型风力发电机及其行业在开展中也同样面对着困难和挑战。这些困难和挑战，既来自工业的内部，也来自工业的外部环境。 
　　 
　　4开展趋势 
　　 
　　跟着各国方针的歪斜和科技的不断进步，国际风力发电开展敏捷，表现出了宽广的远景。未来数年国际风力开展的趋势可表现为： 
　　 
　　4.1风力发电从陆地向海面拓展 
　　 
　　海面的宽广空间和巨大的风能潜力使得风机从陆地移向海面成为一种趋势。现在只有少量国家树立了海上风电场，但估计往后几年，欧洲的海上风力发电将会大规模的起飞。 
　　 
　　4.2新计划和新技能将不断被选用 
　　 
　　在功率调理方法上，变速恒频技能和变桨距调理技能将得到更多的运用；在发电机类型上，操控灵活的无刷双馈型感应发电机和规划简略的永磁发电机将成为风力发电的新宠；在励磁电源上，跟着电力电子技能的开展，新式变换器不断出现，变换器功能得到不断地改进；在操控技能上，计算机分布式操控技能和新的操控理论将进一步得到运用；在驱动方法上，免齿轮箱的直接驱动技能将更加吸引人们的注意。在技能上，经过不断开展，国际风力发电机组的逐步形成了水平轴、三叶片、上风向、管式塔的一致方法。进入21世纪后，跟着电力电子技能、微机操控技能和资料技能的不断开展，国际风力发电技能得到了飞速开展，首要体现在： 
　　 
　　（1）单机容量不断上升国单机容量为SMW的风机己经进入商业化工作阶段； 
　　 
　　（2）变桨距功率调理方法敏捷取代定桨距功率调理方法国选用变桨距调理方法防止了定桨距调理方法中超越额外风速发电功率将下降的缺陷； 
　　 
　　（3）变速恒频方法敏捷取代恒速恒频方法国变速恒频方法可经过调理机组转速追踪最大风能，进步了风力机的工作功率； 
　　 
　　（4）无齿轮箱体系的直驱方法增多国去掉齿轮箱尽管进步了发电机的规划和制作本钱，但有效地进步了发电体系的功率和可靠性。 
　　 
　　4.3风力发电机组将更加个性化 
　　 
　　适合特定商场和风况的风力机将被更多地推出，现在，德国的Repower公司己经推出了这方面的产品。 
　　 
　　4.4从事风力发电的部队将近一步增大 
　　 
　　跟着对风力发电诱人远景的深入知道和更多优惠方针的出台，更多的新成员将加入风力发电工业。 
　　 
　　5结语 
　　 
　　变桨距风力机的起动风速较定桨距风力机低，停机时传动机械的冲击应力相对缓和。风机正常工作时首要选用功率操控，对功率调理的速度取决于风机桨距调理体系的灵敏度。在实践运用中，跟着并网型风力发电机组容量的增大，大型风力机的单个叶片己重达数吨，操作如此巨大的惯性体，并且呼应速度要能跟得上风速改动是适当困难的。事实上，如果没有其他措施的话，仅仅经过变桨距来调理风力发电机组的功率对高频风速的改动依然是力不从心的。因而，变桨距风力发电机组，除了对桨叶进行节距进行操控外，还须经过操控发电机输出功率来调理整个风力发电机组的转速，使之在一定规模内能够快速呼应风速的改动，使风力机的叶尖速比到达最佳，以捕获最大的风能。这就是近年来所开展的变速恒频风力发电技能。 
　　 
　　比较来看，定桨距失速操控风_t啮[Z险C納力机组织简略，造价低，并具有较高的安全系数，利于商场竞争。但失速型叶片自身结构杂乱，成型工艺难度也较大。跟着功率增大，叶片加长，所承受的气动推力增大，叶片的失速动态特性不易操控，使制作更大机组遭到约束。变桨距型风力机能使叶片的节距角随风速而改动，然后使风力机在各种工况下（起动、正常工作、停机）按最佳参数工作。可使发电机在额外风速以下的工作区段有较大的功率输出，而在额外风速以上的高风速区段不超载，无需过大容量的发电机等。当然，它的缺陷是需求有一套比较杂乱的变距调理结构。现在这两种功率调理计划都在大、中型风力发电机组中得到了广泛运用。 
　　 
　　现在中国风电开展面对两个杰出的问题，一是风电开展规模敏捷扩展，形成巨大的商场空间；二是国产机组缺少竞争力，进口机组以压倒的优势占领了中国风电装机的首要份额。因而，大型风电机组的国产化是推动我国风电持续开展的根本途径。