独立运行的风力发电机组设计与应用

1.分类

独立运行发电机组按其运行方式所选用的发电机、储能方式和系统总线方式可以划分为很多类型。目前最常见的是直流总线型和交流总线型两种。

（1）直流总线型独立运行风力发电机组。直流总线型独立运行风力发电机组由风力发电机、充电控制器、塔架、蓄电池组和直流—交流逆变器（如果系统内有交流负载）等主要部件组成。风力发电机发出的交流电经充电控制器一方面向直流负载供电或通过逆变器向交流负载供电，同时将多余的电能储存在蓄电池内，以备无风时使用。所有的发电设备和电控设备都在直流端汇合，成为直流总线。直流总线是一个很大的汇流排，目前大部分离网独立发电站都采用直流总线。

（2）交流总线型独立运行风力发电机组。交流总线型独立运行风力发电机组中所有的部件都通过交流总线汇合。交流总线型独立运行风力发电机组与直流总线型独立运行风力发电机组最大的区别是电控器（充电控制器和逆变器），交流总线型独立运行风力发电机组中最主要的是引入了AC/DC双向逆变器。当发电设备发电时，可以通过逆变器向蓄电池充电（AC/DC转换），而蓄电池向设备充电时，蓄电池中的直流电通过该逆变器向设备提供交流电（DC/AC转换）。

2.性能指标

风力发电机组的主要技术性能指标对风力发电机组的选择十分重要。常见的离网型风力发电机组在选择性能指标参数时必须重点考虑以下方面：

（1）切入风速与切出风速。在低风速下，风力发电机虽然可以旋转，但由于发电机转子的转速很低，并不能有效地输出电能，当风速上升到切入风速时，风力发电机才能正常工作。随着风速的不断升高，发电机也不断加大功率，当风速上升到切出风速，风力发电机输出功率超出额定功率，在控制系统的作用下机组停止发电。目前离网型风力发电机组不设定切出风速，而是当发电机输出功率超过额定值时，机组采用限速方式降低机组输出功率。切入风速与切出风速之间的风段为工作风速，工作风速是风力发电机组实际发电的有效风速区间。这个区间越大，风力发电机发电吸收的风能也越多。因此，风力发电机组的切入风速越低、切出风速越高越好。这样的机组在相同的风况条件下可发出更多的电能。(www.xing528.com)

（2）额定风速与定输出功率。风力发电机产生额定输出功率时的最低风速称为额定风...速.，它是由设计者为机组确定的一个参数。在额定风速下发电机产生的功率称为额定输出功率。仅评价额定风速不能准确反映出不同风力发电机的运行效果，比较不同风力发电机在相同条件下的年发电量更有意义。

（3）最大输出功率与安全风速。最大输出功率是风力发电机组运行在额定风速以上时发电机可能发出的最高功率值，最大功率值高说明风力发电机组的发电容量具有一定的安全系数。值得注意的是，最大输出功率过高，虽然风力发电机组更安全，但设计成本较高；而且在最大风速下，若输出功率增加过大，会给系统带来不必要的负担。安全风速是风力发电机组在保证安全的前提下所能承受的最大风速。安全风速高说明该机组机械强度高，安全性能好。

（4）风能利用系数与整机效率。风能利用系数表示风力发电机将风能转化为电能的转换效率，根据贝茨理论风力发电机的最大风能利用系数为0.593。风能利用系数越高，说明风力机吸收的风能越大，该风力发电机的空气动力性能越好，但不代表发电机效率高，更不能说明风力发电机组整机效率的水平。风力发电机组将风能转换为电能水平高低的参数是整机效率。整机效率是风力机的风能利用效率、传动效率，发电机的机电转化效率、偏航滞后效率等各值之积。整机效率考虑了风力机的机械损失、发动机的电能损失和机组的其他内部损耗，因此整机效率远远低于风能利用系数，整机效率越高越好。

（5）调速性能与制动性能。调速机构和制动系统与离网型风力发电机组的可靠性密切相关。调速机构的主要作用是限制风力发电机组在高风速下的旋转速度，确保机组运行安全。调速机构应该具备功能可靠、反应灵活、过程平稳、误差小等特点。

在超过安全风速运行或紧急情况时，需要制动机构实现停车。实现制动的方法有很多种，按功能方式分为人力制动、动力制动和伺服制动；按传动方式分为有气压制动、液压制动、电磁制动、机械制动、组合制动等。制动系统要求功能可靠、反应灵活、过程平稳、时限小。