风力发电机的工作原理和应用

发电机是风力发电的核心设备,利用电磁感应现象把由风轮输出的机械能转变为电能。

小功率风力发电,过去普遍采用直流发电机,现在已逐步被交流发电机所取代。大中型风力发电机,大多数均采用交流发电机。

送给用户或送入电网的电能,一般要求是频率固定的交流电(我国规定为50 Hz的工频)。由于风能本身的波动性和随机性,传统风力发电机输出的电压频率很难一直满足频率要求。

如今,风力发电机大多通过基于电力电子技术的换流器并网,并且衍生出一些新型的风力发电机结构。

目前,主流的大中型风力发电机包括以下类型。

1.恒速恒频的笼式感应发电机

恒速恒频式(constant speed constant frequency,CSCF)风力发电系统,特点是在有效风速范围内,发电机组的运行转速变化范围很小,近似恒定；发电机输出的交流电能频率恒定。通常该类风力发电系统中的发电机组为鼠笼式感应发电机组。

恒速恒频式风力发电机组都是定桨距失速调节型。通过定桨距失速控制的风力机使发电机的转速保持在恒定的数值,继而使发电机并网后定子磁场旋转频率等于电网频率,因而转子、风轮的速度变化范围小,不能保持在最佳叶尖速比,捕获风能的效率低。

2.变速恒频的双馈感应式发电机(www.xing528.com)

变速恒频式(variable speed constant frequency,VSCF)风力发电系统,特点是在有效风速范围内,允许发电机组的运行转速变化,而发电机定子发出的交流电能的频率恒定。通常该类风力发电系统中的发电机组为双馈感应式异步发电机组。

双馈感应式发电机结合了同步发电机和异步发电机的特点。这种发电机的定子和转子都可以和电网交换功率,双馈因此而得名。

双馈感应式发电机,一般都采用升速齿轮箱将风轮的转速增加若干倍,传递给发电机转子转速明显提高,因而可以采用高速发电机,体积小,质量轻。双馈变流器的容量仅与发电机的转差容量相关,效率高、价格低廉。这种方案的缺点是升速齿轮箱价格贵,噪声大、易疲劳损坏。

3.变速变频的直驱式永磁同步发电机

变速变频式(variable speed variable frequency,VSVF)风力发电系统,特点是在有效风速范围内,发电机组的转速和发电机组定子侧产生的交流电能的频率都是变化的。因此,此类风力发电系统需要在定子侧串联电力变流装置才能实现联网运行。通常该类风力发电系统中的发电机组为永磁同步发电机组。

直驱式风力发电机组,风轮与发电机的转子直接耦合,而不经过齿轮箱,“直驱式” 因此而得名。出于风轮的转速一般较低,因此只能采用低速的永磁发电机,因为无齿轮箱,可靠性高；但采用低速永磁发电机,体积大,造价高；而且发电机的全部功率都需要变流器送入电网,变流器的容量大,成本高。

如果将电力变流装置也算作是发电机组的一部分,只观察最终送入电网的电能特征,那么直驱式永磁同步发电机组也属于变速恒频的风力发电系统。

变速恒频的风力发电机组(包括双馈感应式发电机组和直驱式永磁同步发电机组)都是变速变距型的。通过调速器和变桨距控制相结合的方法使风轮转速可以跟随风速的变化,保持最佳叶尖速比运行,从而使风能利用系数在很大的风速变化范围内均能保持最大值,能量捕获效率最大,据说可以提高机组的发电量3%～10%,并且机组结构受力相对较小。发电机发出的电能通过变流器调节,变成与电网同频、同相、同幅的电能输送到电网。从性能上来讲,变速型风力发电机组具有明显的优势。