风力与柴油联合发电系统的优化设计

目前，在大电网难以覆盖的边远或孤立地区，通常采用柴油发电机组来提供必要的生活和生产用电。由于柴油价格高，加之运输困难，造成发电成本相当高，并且由于交通不便和燃料供应紧张，往往不能保证电力的可靠供应。而边远地区，特别是海岛，大部分拥有较丰富的风能资源，随着风电技术的日趋成熟，其电能的生产成本已经低于柴油发电的成本。因此，采用风力发电机组和柴油发电机组联合运行，为电网达不到的地区提供稳定可靠的、符合电能质量（电压、频率等）标准的电力，最大限度地节约柴油并减少对环境的污染，是世界各国在风能利用与开发研究中颇受瞩目的方向之一。特别是对于电网尚不够普及的发展中国家，更具有广阔的应用前景。

现在世界上正在研究和运行的风力／柴油发电系统的类型很多，但一般说来，整个系统一般包括风力发电机组、柴油发电机组、蓄能装置、控制系统、用户负载及耗能负载等，其基本结构框图如图9-25所示。下面重点介绍几种主要型式。

图9-25　风力／柴油发电机系统的基本结构图

图9-26　基本型风力／柴油发电系统

1.基本型风力／柴油发电系统及其改进型式

最简单的风力发电和柴油发电结合方法之一是让风力发电机组和柴油发电机组并联运行，以降低柴油机的平均负载，从而节省燃料。图9-26所示为系统的结构示意图，风力驱动的感应发电机和柴油驱动的同步发电机并联运行。该系统中，柴油发电机组不停地工作，即使在负荷较小、风力较强时也在运转，以便为风力发电机提供所需的无功功率。

这种系统的优点为结构简单，可以向负载连续供电。缺点为节油率低，而且为了保证系统的稳定性，通常柴油发电机组的容量要比风电机组大很多，使得节油效果更差。故此系统仅适用于相当稳定的负载。

改进方案是在柴油机和同步发电机之间加一个飞轮和一个电磁离合器。当风力所产生的电能不能满足负荷需求时，风力发电机和柴油发电机并联向负载供电；当风力足够大时，电磁离合器将柴油机与其驱动的同步发电机断开，柴油机停止运行，而同步电机将作为同步调相机运行向风力驱动的感应发电机提供无功功率，其本身的有功损耗则由风力发电机供给。这时系统的频率由控制耗能负载来保持基本恒定。系统中的飞轮有助于柴油机断开后维持同步电机继续运转，另外也有助于柴油机的重新起动。改进后的系统由于柴油机可以停转，因此节油效果较前者为好。

2.交替运行的风力／柴油发电系统

图9-27所示为风力发电机组与柴油发电机组交替运行的一种系统型式，其中风力发电机一般为同步发电机，在风力较大和风电机组单独运行的情况下，通过励磁调节和负荷调节来保持输出电压和频率基本稳定。由于风能的不稳定性，可以将负载按其重要程度分类，随着风力的大小，通过频率或速度传感元件给出的信号，依次接通或断开各类负载。在风速很低第一类负载也不能保证供电时，风电机组退出运行，柴油发电机组同时自动起动并投入运行。可以发现，该系统中风力发电机和柴油发电机在电路上无联系，无需解决两者并联运行的一些技术问题，所以总体结构比较简单，但风能可以得到充分利用，柴油发电机组的运转时间也大大减少，因而节油率较高。缺点是在风力发电机和柴油发电机切换过程中会导致短时间供电中断，另外随着风力和负载的双重波动，可能造成柴油机频繁启停。

图9-27　交替运行的风力／柴油发电系统

为了减少柴油机的起动次数，措施之一是在图9-27所示系统中的风力发电机轴上装一个飞轮，飞轮装在齿轮箱与同步发电机之间，利用飞轮的惯性和短时蓄能作用，减少各类负载的开关次数。

3.具有蓄电池储能的风力／柴油发电系统

图9-28所示为一台或多台风力发电机组与柴油发电机组联合运行的方案。在并联运行时，风力驱动的感应发电机由柴油机驱动的同步发电机提供励磁所需的无功功率，风力发电机和柴油发电机共同向负载供电。当风况很好或负载较小，风力发电机组足以提供负载所需的电能时，柴油机通过电磁离合器或超速离合器与同步发电机脱开停转，同步发电机作调相机运行，向风力发电机提供无功功率并进行电压控制，风力机的转速和功率控制采用快速变桨距方式，在风速很小或无风期时，则由柴油发电机组单独供电。

图9-28　具有蓄电池储能的风力／柴油发电系统(www.xing528.com)

为了避免由于风力和负载的变化导致柴油机频繁起动，该联合系统中配备了小容量蓄电池组，其容量取决于当地风能资源条件和用户要求，一般相当于可按额定功率供电（0.5～1h），同时配置一个可逆的线路整流／逆变器，以便给蓄电池充电或蓄电池向独立电网补充输电。此外，蓄电池还可以减少柴油机的轻载运行，使其绝大部分时间运行在比较合适的功率范围内。

对于容量较大的风力／柴油发电系统，可采用多台风电机组的方案，这样可以减小风电机组总功率输出的波动幅度，同时蓄电池的容量也可以减小。

4.AC／DC／AC型变速风力发电机组与柴油发电机组联合发电系统

图9-29所示为这种风力／柴油发电系统的结构框图。系统中风力机驱动的发电机可以是同步发电机，也可以是感应发电机，经整流和逆变装置与柴油发电机并联运行，实现向负载连续供电。根据风力情况和负载大小，这种系统也可以有三种不同供电方式，即风力发电机单独供电、风力发电机和柴油发电机并联供电、柴油发电机单独供电。

图9-29　AC／DC／AC型变速风力发电机组与柴油发电机组联合发电系统

该系统的优点是风力机可以在变速工况下运行，从而可最大限度地利用风能，以节约更多的柴油。系统中的整流、逆变装置和蓄电池储能设备可以起到维持恒频输出和平衡功率的作用。

这种系统的缺点是由于配置了容量与风力发电机组容量相当的整流、逆变设备，造价较高，在电能转换过程中也有一定的能量损失。

5.磁场调制型变速风力发电机组与柴油发电机组联合发电系统

图9-30所示为磁场调制型变速／恒频风力发电机与柴油发电机联合运行的系统框图。风力驱动的磁场调制发电机的励磁可以取自柴油发电机的输出，与前面所述的该发电机系统的并网运行相类似，通过励磁变压器将柴油发电机各相输出电压进行适当的相位相加，即可得到一组领先系统输出电压90°的三相励磁电压。在这种情况下，风力发电机的输出总是自动与柴油发电机输出同步，不需要专门的控制，不存在失步问题，整个系统控制简单。

当风况很好，风力机发电量足可提供负载所需的电能时，柴油机通过电磁离合器与其驱动的同步发电机脱开停车，同步机作调相机运行供给磁场调制发电机励磁所需的无功功率，同时控制它的输出电压和频率。

图9-30　磁场调制型变速风力发电机组与柴油发电机组联合发电系统

这种系统除了可以获得风力机变速运行增加能量输出外，由于磁场调制发电机从工作原理上保证了其输出与供给其励磁的柴油发电机输出同步，所以并联运行时基本上无需控制，且并联系统非常可靠，即使在风速大幅度变化或柴油发电机转速、电压波动的情况下，仍可以稳定、安全地并联运行。

6.风力／柴油联合发电系统的实用性评价

上面介绍了一些风力／柴油发电系统，最佳设计在很大程度上取决于用户的需要和当地的风力资源，一种系统对某种用户可能是最合适的，但不可能对所有地方都是最佳的。一般根据具体的资源及负载情况从以下三方面来考虑和评价系统的实用性。

（1）节油效果。建立风力、柴油发电系统的一个目的就是节约柴油，所以节油率是衡量一个风力／柴油发电系统是否先进的重要指标之一。20世纪80年代初的风力／柴油发电系统，特别是柴油机必须不停地连续运行的系统，节油率很低。从80年代中期起，由于系统中增加了蓄能设施，风能的利用率有了很大的提高，系统的节油率上升，到90年代初已达到40%～55%，目前系统最高节油率达到70%以上。

（2）可靠性。对一个节油效果较好的风力／柴油发电系统来说，风电容量一般占总系统容量约50%以上，风速变化的随机性很大，风电功率变化相当频繁，且幅度很大。在并联运行中，系统能否承受这种频繁的大幅度冲击，达到稳定运行，以提供可靠的电能，是风力／柴油联合发电系统是否成功的技术关键。

（3）系统的经济性。经济性是人们极为关注的问题之一，不同的系统模式不能用同一的节油率指标来衡量系统经济性的优劣。除与选择的系统模式有很大关系外，还与风能资源、负载性质与大小、风电机组与柴油机组和蓄电池组的容量比例等有很密切的关系。例如，蓄电池容量过大，虽然提高了风能利用率，减少了柴油机启停次数，但设备费用和运行维护费用增加；反之则风能利用率降低，柴油机常处于低负荷、高耗油率运行工况，同样加大了供电成本。因此，对不同的风力／柴油发电系统，应以系统的综合供电成本来评价它的经济性。供电成本低的系统显然是良好的系统。