风力发电系统的设计与优化

1.风力发电系统的基本组成

风力发电系统的基本组成如图7－16所示。齿轮箱可以将很低的风轮转速（600 kW的风机通常为27 r/min）变为很高的发电机转速（通常为1500 r/min）。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。要知道，600 kW 的风机机舱总重20 多吨，使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。

图7－16　风力发电系统的基本组成

风机是有许多转动部件的。机舱在水平面旋转，随时跟风。风轮沿水平轴旋转，以便产生动力。在变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况。在停机时，叶片尖部要甩出，以便形成阻尼。液压系统就是用于调节叶片桨矩、阻尼、停机、刹车等状态下使用。

控制系统是现代风力发电机的神经中枢。现代风机是无人值守的。就600 kW 风机而言，一般在4 m/s 左右的风速自动启动，在14 m/s 左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25 m/s 时自动停机。现代风机的存活风速为60～70 m/s，也就是说在这么大的风速下风机也不会被吹坏。要知道，通常所说的12 级飓风，其风速范围也仅为32.7～36.9 m/s。风机的控制系统，要在这样恶劣的条件下，根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网。并监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机。

2.恒速、变速以及变速直接驱动发电机

恒速、变速以及变速直接驱动发电机的结构示意图如图7－17所示。

图7－17　发电机

（a）恒速发电机；（b）变速发电机；（c）变速直接驱动发电机

恒速、变速以及变速直接驱动发电机的比较如表7－2所示。

表7－2　恒速、变速及变速直接驱动发电机的比较

3.电力功率变流器

风机系统中的逆变器，技术上要求输入电压变化范围宽（如6∶1）、输出供电质量高（如电流总谐波失真THD<5%）、功率因数为1 （对于分布式发电，功率因数不需要调节，但对于大型风机，功率因数需要作一些调节），另外需有完善的电压、频率、温度、电流和防孤岛运行等保护功能以及显示、监测甚至通信和遥控等功能。常见的小型变流器（也包括一些大型变流器）的拓扑结构如图7－18所示，通常为不可控的桥式整流器加逆变器，或为一个背靠背的整流器，最小型的运行系统都是用升压斩波器或者是其他升压变流器经一个降压逆变器后对电网进行供电。

图7－18　常见小型风机变流器结构

在绿色能源的发电过程中，就变流器本身拓扑结构而言，可进行各种研究和商品化工作。这里介绍一下常见逆变器的拓扑结构图。

图7－19（a）为两级逆变器，一边用于控制直流电压，另一边用于控制电网。两级逆变器所用的器件较多，虽然它的控制范围较宽，但对于小型发电系统或光伏逆变器系统来说，成本相对过高。我们对变流器的拓扑结构进行简化，图7－19（b）所示的2 个拓扑结构，由两级变成1 级，开关器件减少为只有6 个或4 个。(www.xing528.com)

图7－19　两级和单级升压逆变器结构

（a）两级逆变器；（b）单级逆变器

4.风力发电系统的核心技术

在风力发电系统中两个主要部件是风力机和发电机。风力机向着变桨距调节技术、发电机向着变速恒频发电技术，这是风力发电技术发展的趋势，也是当今风力发电的核心技术。

电力电子技术如IGBT 技术的进步为人们开发新型的风力发电机提供了可能。

1）风力机的变桨距调节

风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。

变距调节方式是通过改变叶片迎风面与纵向旋转轴的夹角，从而影响叶片的受力和阻力，限制大风时风机输出功率的增加，保持输出功率恒定。采用变距调节方式，风机功率输出曲线平滑。在额定风速以下时，控制器将叶片攻角置于零度附近，不做变化，近似等同于定桨距调节。在额定风速以上时，变桨距控制结构发生作用，调节叶片攻角，将输出功率控制在额定值附近。变桨距风力机的起动速度较定桨距风力机低，停机时传递冲击应力相对缓和。正常工作时，主要是采用功率控制，在实际应用中，功率与风速的立方成正比。较小的风速变化会造成较大的风能变化。

由于变桨距调节风力机受到的冲击较之其他风力机要小得多，可减少材料使用率，降低整体重量。且变距调节型风力机在低风速时，可使桨叶保持良好的攻角，比失速调节型风力机有更好的能量输出，因此比较适合于平均风速较低的地区安装。

变距调节的另外一个优点是，当风速达到一定值时，失速型风力机必须停机，而变距型风力机可以逐步变化到一个桨叶无负载的全翼展开模式位置，避免停机，增加风力机发电量。

变距调节的缺点是对阵风反应要求灵敏。失速调节型风机由于风的振动引起的功率脉动比较小，而变距调节型风力机则比较大，尤其对于采用变距方式的恒速风力发电机，这种情况更明显，这样不要求风机的变距系统对阵风的响应速度要足够快，才可以减轻此现象。

2）变速恒频风力发电机

变速恒频风力发电机常采用交流励磁双馈型发电机，它的结构类似绕线型感应电机，只是转子绕组上加有滑环和电刷，这样一来，转子的转速与励磁的频率有关，从而，使得双馈型发电机的内部电磁关系既不同于异步发电机又不同于同步发电机，但它却具有异步机和同步机的某些特性。

交流励磁双馈变速恒频风力发电机不仅可以通过控制交流励磁的幅值、相位、频率来实现变速恒频，还可以实现有功、无功功率控制，对电网还能起无功补偿的作用。

交流励磁变速恒频双馈发电机系统有如下优点：

（1）允许原动机在一定范围内变速运行，简化了调整装置，减少了调速时的机械应力。同时使机组控制更加灵活、方便，提高了机组运行效率。

（2）需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分，使变频装置体积减小，成本降低，投资减少。

（3）调节励磁电流幅值，可调节发出的无功功率；调节励磁电流相位，可调节发出的有功功率。应用矢量控制可实现有、无功功率的独立调节。

总之，风力发电是一门新兴能源技术，中国风力等新能源发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着技术的逐渐成熟稳步提升。随着中国风电装机的国产化和发电的规模化，风电成本可望再降。因此风电开始成为越来越多投资者的逐金之地。风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域成为投资热点，市场前景看好。