李國(guó)慶

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心,北京 100081)

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)分析

李國(guó)慶

(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心,北京 100081)

世界能源消耗量不斷增加,風(fēng)能作為可再生綠色能源成為各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的能源,風(fēng)力發(fā)電也成為各國(guó)研究的重點(diǎn)。本文從國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀出發(fā),對(duì)交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,并分析了變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的工作原理和優(yōu)點(diǎn),以求為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供些許借鑒。

變速恒頻 風(fēng)力發(fā)電 原理

我國(guó)的能源消耗十分嚴(yán)重，能源短缺和環(huán)境污染成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的阻力。為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，我國(guó)正在努力研究清潔能源技術(shù)。風(fēng)能作為可再生能源，具有大規(guī)模開發(fā)利用的潛能。風(fēng)力發(fā)電利用風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生電能，具有廉價(jià)、清潔、取之不盡的特點(diǎn)，受到眾多國(guó)家的青睞。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)能夠更加高效的實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化。

1 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀

風(fēng)力作為綠色能源，主要是在太陽的熱量影響下，不同區(qū)域形成溫度差，這些區(qū)域的氣流相互流動(dòng)形成風(fēng)力。全世界的風(fēng)能總量約為3億兆瓦，但是能夠利用的風(fēng)能卻不足總量的1%。我國(guó)的風(fēng)能資源也相對(duì)較多，大概在2.5億千瓦左右。我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電始于上世紀(jì)50年代，80年代開始快速發(fā)展，部分地區(qū)的風(fēng)能發(fā)電能夠解決人們的日常用電。內(nèi)蒙、山東等地已經(jīng)建立了風(fēng)力發(fā)電廠，并積極進(jìn)行風(fēng)能發(fā)電研究。

每個(gè)國(guó)家和地區(qū)對(duì)風(fēng)能的重視程度不同，其重視程度體現(xiàn)在風(fēng)電機(jī)組的容量上。隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)化的控制系統(tǒng)不斷提高，風(fēng)能發(fā)電也取得了不少進(jìn)展。風(fēng)力飯店的機(jī)組容量逐步增加，使用變槳距代替了定槳距進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠提高風(fēng)能發(fā)電的效率，滿足不同用戶的需求，并大大節(jié)省了成本。無齒輪箱中使用了直驅(qū)模式，風(fēng)能技術(shù)朝著變速恒頻的方向發(fā)展，既能節(jié)約成本又能提高發(fā)電效率。

2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)工作原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)和輔助構(gòu)件組成。當(dāng)風(fēng)能達(dá)到一定的密度時(shí)，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)也帶動(dòng)了齒輪箱進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，不斷傳遞機(jī)械能，使得齒輪箱的轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，把得到的機(jī)械能變?yōu)殡娔?。定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過電網(wǎng)傳輸給用戶用電。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機(jī)處于十分重要的地位，它利用扇葉將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械轉(zhuǎn)矩，并傳遞給發(fā)電系統(tǒng)，產(chǎn)生電能后傳輸給用戶使用。風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)需要適應(yīng)風(fēng)的變化調(diào)整發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，如何利用發(fā)電機(jī)追蹤最大風(fēng)能就是提高風(fēng)能利用效率的關(guān)鍵。為了能夠解決這一問題，風(fēng)能發(fā)電機(jī)使用了自動(dòng)控制系統(tǒng)，不需要人為的進(jìn)行操作，能夠利用計(jì)算機(jī)和機(jī)械進(jìn)行高效生產(chǎn)。自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠利用計(jì)算機(jī)計(jì)算出交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)參考輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，利用計(jì)算公式追蹤最大風(fēng)能。

2.2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用最多的就是異步發(fā)電機(jī)，這些都屬于恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)能夠使發(fā)電系統(tǒng)在較大風(fēng)速范圍內(nèi)按照最佳效率運(yùn)行，因此越來越受到人們的重視。當(dāng)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成正比，并保持在一個(gè)恒定的最佳葉尖速比λ，使得風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp保持最大值不變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出最大功率，從而提高風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率。大型的發(fā)電機(jī)多采用變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，能夠利用最大風(fēng)力，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能發(fā)電的最高效率。風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)常見的有交-直-交磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電系統(tǒng)、交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電系統(tǒng)、無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)、開關(guān)磁阻發(fā)電系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)的特點(diǎn)不同能夠滿足不同發(fā)電性能的需要。

2.2.1 交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

這種系統(tǒng)主要采用轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)。風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n也隨之變化，控制轉(zhuǎn)子電流的頻率使定子頻率恒定，以滿足

式子中的f1定子電流頻率，與電網(wǎng)頻率相同；

fm表示轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率，fm=n/60；

P表示電機(jī)的極對(duì)數(shù)；

f2表示轉(zhuǎn)子電流頻率。

當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速小于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)，變頻器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)由定子發(fā)出電能，此時(shí)上述式子取正號(hào)；當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，處于超同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子同時(shí)發(fā)出電能，變頻器的能量流向逆向，此時(shí)上述式子取負(fù)號(hào)；當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速域定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速相等時(shí)，兩者處于同不狀態(tài)，發(fā)電機(jī)作為同步電機(jī)運(yùn)行，f2為0，變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁。由上述式子可以得出，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，控制f2的變化就能夠使f1保持恒定，也能夠與電網(wǎng)頻率保持一致，從而實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制。這種變速恒頻控制方案能夠在轉(zhuǎn)子電路內(nèi)實(shí)現(xiàn)，流過轉(zhuǎn)子電路的功率由交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍來決定轉(zhuǎn)差功率，該轉(zhuǎn)差功率僅僅是定子額定功率的一部分。

2.2.2 無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)

無刷雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的定子有兩套技術(shù)不同的繞組，其中一個(gè)直接接通電網(wǎng)，稱為功率繞組，另一個(gè)利用雙向變頻器接通電網(wǎng)，稱為控制繞組。該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子是籠形結(jié)構(gòu)，不再使用電刷和滑環(huán)，轉(zhuǎn)子的技術(shù)為定子兩個(gè)繞組的極對(duì)數(shù)之和。無刷雙饋電機(jī)利用勵(lì)磁電流，根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化而變化，使旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與功率組實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)速恒定，從而實(shí)現(xiàn)變速恒頻。

3 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

該技術(shù)采用變速恒頻方式，風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率高，變速原型風(fēng)力機(jī)能夠以最佳尖速比、最大功率運(yùn)行，相較于恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，其年發(fā)電量提高了百分之二十，變速運(yùn)行的分離機(jī)運(yùn)行時(shí)間高，輸出功率大，運(yùn)行效率高。變機(jī)電動(dòng)力系統(tǒng)之間的剛性連接為柔性連接，能夠延長(zhǎng)風(fēng)力機(jī)的壽命，減少疲勞損壞。該技術(shù)采用矢量控制調(diào)節(jié)勵(lì)磁，能夠進(jìn)行有功功率和無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)，能夠根據(jù)最大分離自動(dòng)調(diào)節(jié)電網(wǎng)的頻率因數(shù)，提高了電力系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能。

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展使得風(fēng)電機(jī)組的可靠性和效率不斷提高，發(fā)電成本不斷降低，單機(jī)容量持續(xù)增大，風(fēng)電機(jī)組型式不斷趨向多樣化。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率的提高，能夠有效降低風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行噪聲，具有更高的電能質(zhì)量，且采取了自動(dòng)控制技術(shù)降低了風(fēng)電機(jī)組的載荷。

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[2]王冠琰,李娜.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)綜述[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2010,1(02)：132-134.