四級變速風力發(fā)電技術分析研究

隨著人類社會的發(fā)展，地球上煤炭、石油、天然氣等地下資源正面臨著枯竭的危險，同時嚴重的環(huán)境污染也已成為威脅人類生存的主要問題。發(fā)展利用風能等可再生能源已成為我國長期的能源戰(zhàn)略，目前我國風力發(fā)電裝機容量僅占我國可利用風力資源0.1%，根據(jù)《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》，風電到2020年很可能超越核電，成為我國第三大發(fā)電形式。在風力發(fā)電中如何提高風能利用率及風電質量是至關重要的，是首先要面對并解決的工程技術。傳統(tǒng)“恒速恒頻”發(fā)電技術中風力機的葉輪轉速始終保持不變以達到標準的頻率、電壓等電力要求，該技術只能在某一風速下實現(xiàn)風力機最大風能利用[1];在葉片等其他技術條件相同情況下，如實現(xiàn)在全部工作風速或多個風速值下風力機均能實現(xiàn)最大的風能利用，就可能較大地提高風能利用率，“多級變速”風力發(fā)電技術就是風力機的葉輪能在多個轉速點對應多個風速值轉動，實現(xiàn)在相應風速值下風力機獲得最大的風能利用，并輸出頻率恒定的電能 [2]，四級變速風力發(fā)電技術是“多級變速”技術的具體應用。

一 四級變速風力發(fā)電機原理

多級變速風力發(fā)電機主要由2臺發(fā)電機(發(fā)電機1和發(fā)電機2)、控制系統(tǒng)和變速機3部分組成，其技術原理如圖1所示。大功率的發(fā)電機2的定子繞組與電網連接，向電網輸送頻率為ft的工頻電流，轉子繞組經控制系統(tǒng)與小功率的發(fā)電機1的定子繞組相連[1]。

大功率的發(fā)電機2只有在風速較大(風機輸入功率較大)時才和變速機聯(lián)接運行。發(fā)電機2輸出的電流頻率不僅和轉子的機械轉速有關，還和輸入轉子繞組的電流頻率有關，具有將轉子的機械旋轉頻率和轉子繞組電路的電流頻率“相加”的功能，其定子繞組輸出“頻率相加”后的電流，這一特點簡稱為“合頻”特性。

根據(jù)“合頻”特性，在圖1兩臺電機組合發(fā)電中，發(fā)電機2定子繞組輸出的電流頻率、發(fā)電機1定子繞組輸出的電流頻率和電機轉子的機械旋轉頻率應符合如下關系[3]：

f1= P1×fn1

ft= P2×fn2 + P1×fn1 (1)

式中：ft——發(fā)電機2定子繞組輸出的電流頻率，與電網頻率相同;

P2——發(fā)電機2的極對數(shù);

fn2——發(fā)電機2的轉子機械旋轉頻率;

P1——發(fā)電機1的極對數(shù);

fn1——發(fā)電機1的轉子機械旋轉頻率。

只要設計和控制好P1，fn1，P2，fn2這4個參數(shù)，完全可以使發(fā)電機2輸出的電流頻率保持為電網頻率或其他所需頻率，這4個參數(shù)主要由變速機機械變速和改變發(fā)電機極對數(shù)來實現(xiàn)。因此，利用發(fā)電機2“合頻”特性，通過變速機機械變速和改變發(fā)電機極對數(shù)，可實現(xiàn)風速變化時風力機在多級風輪轉速下能輸出恒定頻率的電能，以提高風能的利用率。

由式(1)知，增加電機極對數(shù)，可降低機械旋轉頻率，相應降低轉子及齒輪轉速，改善潤滑條件，減少維護費用。[4]小功率的發(fā)電機1的額定功率約為發(fā)電機2額定功率的1/4，其電機極對數(shù)一般可以變化。當風速較小時，變速機只帶動發(fā)電機1工作，發(fā)電機2脫開與變速機的連接停止工作，發(fā)電機1發(fā)出的電流經控制系統(tǒng)切換，直接輸?shù)诫娋W或其他電路，由此提高了發(fā)電機發(fā)電效率，延長了大功率發(fā)電機2的壽命;當風速較大(風機輸入功率較大)時，2臺發(fā)電機經變速機帶動都發(fā)電工作，且發(fā)電機1發(fā)出的電流經控制系統(tǒng)輸入到發(fā)電機2的轉子繞組電路進行“合頻”，結合變速機機械變速、改變電機極對數(shù)等方法，使風力發(fā)電裝置輸出的電流頻率仍保持電網頻率。

控制系統(tǒng)主要起到電流切換、改變電機極對數(shù)、控制發(fā)電機1輸向發(fā)電機2的電流頻率等參數(shù)、控制發(fā)電機2轉子電路電阻值等作用。改變電阻值可控制電機的滑差率，使得風速及風輪轉速在小范圍變化時發(fā)電機發(fā)出的電流頻率仍保持恒定[4]。

二 四級變速風力發(fā)電實例

設工作風速為5.5m/s(啟動風速)到16.5m/s(較大風速)，在啟動風速5.5m/s處葉輪轉速為100rpm時葉輪當量葉尖速比為4，此時風能利用率為最大(按0.3計)，要實現(xiàn)工作風速范圍內若干風速點(5.5m/s，8.25m/s，11m/s，16.5m/s共4檔風速，故稱為四級變速)仍達到最大風能利用率，即葉輪當量葉尖速比為4，可按(1)設計機械增速比和發(fā)電機極對數(shù)，由于要保持相同的葉尖速比，對應的葉輪轉速須同比例變化，分別為100 rpm、150 rpm、200 rpm、300 rpm，葉輪工作頻率為葉輪轉速的1/60。為減少齒輪箱成本，提高系統(tǒng)變速自動化程度，葉輪到發(fā)電機2設計為1級機械變速，速比為5;葉輪到發(fā)電機1設計為1級機械變速，速比為2.5;發(fā)電機為雙速發(fā)電機[4]，發(fā)電機2的極對數(shù)分別為6和2，發(fā)電機1的極對數(shù)分別為4和2，發(fā)電機2的功率約為發(fā)電機1的1/4。具體關系如表1所示。

由表1可知(不考慮電機滑差率)，在風速11m/s及8.25m/s處，2個發(fā)電機利用“合頻”特性聯(lián)合發(fā)電，發(fā)電機2的輸出接入發(fā)電機1的轉子電路。在具體應用中，當風速為7及以下時可用第1種方式，即發(fā)電機2(6極)單獨發(fā)電;當風速為7上到9.5時可用第2種方式，即發(fā)電機2(2極)與發(fā)電機1(4極)聯(lián)合發(fā)電;當風速為9.5以上到13時可用第3種方式，即發(fā)電機2(2極)與發(fā)電機1(2極)聯(lián)合發(fā)電;當風速為13以上時可用第4種方式，即發(fā)電機2(2極)及發(fā)電機1(4極)單獨發(fā)電。

三 結論

四級變速風力發(fā)電技術利用改變發(fā)電機極對數(shù)及大小2個發(fā)電機的相互配合，達到在4個風速點都能實現(xiàn)風能最大利用，根據(jù)統(tǒng)計如果變速恒頻風力發(fā)電在整個工作風速范圍內風能利用量為1個單位，則四級變速風力發(fā)電風能利用量能達到80%左右，恒速恒頻風力發(fā)電風能利用量約為40%。

而且與傳統(tǒng)發(fā)電技術比還有其他優(yōu)點，相比恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)的增速箱，多級變速風力發(fā)電的變速器為低速變速箱，降低了潤滑要求，減少了維護費用;由于風速不大、風機輸入功率較小時，只有小功率發(fā)電機2起發(fā)電作用，不存在“大功率發(fā)小電”現(xiàn)象，提高了發(fā)電機的效率，延長了大功率發(fā)電機1的壽命。

參考文獻：

[1]倪受元，風力發(fā)電講座(第三講)風力發(fā)電用的發(fā)電機及其機構[J].太陽能，2000(4):12-17。

[2]陳忠維，胡曉珍，徐獻忠，顧平燦，多級變速風力發(fā)電技術[J].可再生能源，2006(6):84-87。

[3]彭曉，楊向宇，石安樂，無刷雙饋電機的原理與結構特征[J].湖南工程學院學報，2002，12(3):1-4。

[4]孫明倫，600 kW/125 kW風力發(fā)電機的優(yōu)化設計[J].上海大中型電機，2003 (3):6-7。