永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)射臺站的應(yīng)用分析

河南許昌中波轉(zhuǎn)播臺 辛 聞

永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)射臺站的應(yīng)用分析

河南許昌中波轉(zhuǎn)播臺 辛 聞

【摘要】隨著風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的進一步成熟完善，特別是永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，目前已成為性能最優(yōu)、性價比高和可靠性高的風(fēng)力發(fā)電方式。本文首先對永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理進行了分析，結(jié)合發(fā)射臺的實際情況，提出了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用于無線發(fā)射臺站的幾套技術(shù)策略方案分析。

【關(guān)鍵詞】永磁直驅(qū)同步；風(fēng)力發(fā)電；發(fā)射臺站 ；應(yīng)用分析

引言

風(fēng)力發(fā)電相對于其他新能源來說技術(shù)更成熟、成本更低、對環(huán)境破壞更小，一是風(fēng)力發(fā)電不受與風(fēng)力無關(guān)的自然條件的限制，不論白天或是黑夜，陰雨或是晴朗，寒冷與炎熱等。風(fēng)力發(fā)電機對于太陽能電池和市電有極大的互補性：一般太陽能電池不能工作的陰雨天氣都會伴有大風(fēng)，同時也是市電電網(wǎng)最容易出故障的時候。二是建設(shè)與投入使用非常靈活快捷。運行中不受市電電網(wǎng)故障的影響，并且相對太陽能發(fā)電來說初期投資和后期維護要少得多。過去20多年里，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷取得突破，特別是永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，規(guī)模經(jīng)濟性日益明顯，目前它是性能最優(yōu)、性價比高和可靠性高的風(fēng)力發(fā)電方式。

一、永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其原理

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般由風(fēng)力機、PMSG直驅(qū)永磁同步發(fā)電系統(tǒng)、全功率變流器、控制系統(tǒng)四部分構(gòu)成，如上圖所示，其原理是：風(fēng)以一定的風(fēng)速和角度作用在風(fēng)力機的葉輪上，風(fēng)力機由于受到旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動，由于風(fēng)力機和發(fā)電機同軸相連，從而帶動PMSG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，發(fā)電機發(fā)出變壓變頻的交流電。由于風(fēng)速不斷地變化，發(fā)電機輸出的端電壓幅值、頻率也時刻變化，不符合并網(wǎng)要求。因此，發(fā)電機發(fā)出的電只有經(jīng)過全功率變流器進行整流逆變，使其轉(zhuǎn)化為幅值、頻率、相位與電網(wǎng)一致的交流電后，通過變壓器接入電網(wǎng)。

與傳統(tǒng)的變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)相比，直驅(qū)型系統(tǒng)優(yōu)點一是采用的低速永磁同步發(fā)電機無需勵磁，效率高和可靠性高。二是，無增速齒輪箱，降低了噪音污染，減少了維護工作，從而降低了維護成本；三是，采取適當(dāng)?shù)目刂品椒梢詫崿F(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，提高系統(tǒng)的效率，并且釆取一定的變流器控制策略（SVPWM）便能靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出的有功功率和無功功率，輸出電流諧波含量低，易于實現(xiàn)低電壓穿越（LVRT）能力，具有較強的抗擾動能力，符合風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)標準。

二、無線發(fā)射臺站完全具備新型風(fēng)力發(fā)電的要求

無線發(fā)射臺站屬于接收轉(zhuǎn)播廣電信號的基站，位置一般都地處地勢高的特點，周圍視野開闊，往往擁有非常好的風(fēng)力資源，所以風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對于發(fā)射臺完全能夠?qū)崿F(xiàn)。發(fā)射臺任務(wù)擔(dān)負宣傳政府的聲音，所以要求臺站對于電的穩(wěn)定需求非常明顯，一般市級臺站必須要求雙回路用電，但是由于自然天氣、變電站、變壓器線路維護每年造成的停電停播情況不斷，這就需要永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電對市電做有益補充。

三、永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用于無線發(fā)射臺站的技術(shù)研究方案

1、市電+小型風(fēng)力發(fā)電機+兩組蓄電池的供電組合。摒除了大多數(shù)以市電+兩組蓄電池的供電組合模式，電池由于經(jīng)常反復(fù)充放電導(dǎo)致電池使用壽命大大縮短。較長時間停電時用柴油機發(fā)電浪費了巨大的人力與物力，增加了維護成本，這種模式已經(jīng)不能滿足要求。而增加小型風(fēng)力發(fā)電機不但可以降低維護費用，在風(fēng)資源相對較好的地區(qū)使用，可以節(jié)省用電費用并且降低臺站斷電率。在市電不穩(wěn)或長時間停電時，視風(fēng)力大小給設(shè)備和電池供電或給兩組蓄電池輪流充電以保障設(shè)備的正常運行。

2、小型風(fēng)力發(fā)電發(fā)射塔的研究。風(fēng)力發(fā)電機置于塔上40-50米高度，該塔式結(jié)構(gòu)除受常規(guī)通信塔荷載外，還承受來自發(fā)電設(shè)施的荷載，受力復(fù)雜。該方案的難點其一在于對該新型塔式結(jié)構(gòu)在引入風(fēng)機發(fā)電后，塔體所受力分析，其頂部位移及受力均有所不同，因此必須對風(fēng)電塔進行順風(fēng)向的減振控制，以限制其頂部位移。其二，不少發(fā)射絕緣塔是塔體帶電的，怎么解決風(fēng)力發(fā)電設(shè)備和塔體共存及絕緣干擾問題。

3、增加風(fēng)力發(fā)電作為補充供電部分。運用目前成熟的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電的輸出作為負載截止開關(guān)電源的一路輸出端子上，和原有的供電系統(tǒng)互為備份，由于永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)很成熟，無需對開關(guān)電源進行任何改動，該技術(shù)實現(xiàn)的原理是：在保證原供電系統(tǒng)不變的情況下，增加風(fēng)力發(fā)電作為補充供電部分，不增加儲能用蓄電池和對應(yīng)的蓄電池充電控制部分，系統(tǒng)容量滿足直流負載用電量即可；新能源經(jīng)過自身控制部分輸出直流電作為負載，直接接至原供電系統(tǒng)的輸出端，新能源的輸出直流電壓以原供電系統(tǒng)的直流電壓為負反饋引入點，從而控制新能源的輸出電壓，使其始終比元供電系統(tǒng)的電壓高幾十毫伏，從而達到有限和最大化使用新能源的目的。

系統(tǒng)工作時，當(dāng)新能源有直流輸出時，原供電系統(tǒng)自動降低輸出，如果新能源的輸出功率滿足原系統(tǒng)負載需求時，原整流器自動停止輸出；當(dāng)新能源輸出功率小于負載需求時，原整流器補足剩余部分，當(dāng)新能源無輸出時，恢復(fù)到原有供電方式。此系統(tǒng)需要設(shè)計開發(fā)基于直流負反饋技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電整流控制模塊。

4、臺站機房、變壓器、穩(wěn)壓器、配電室等重點部位需要 24 小時監(jiān)控，自從實行有人留守?zé)o人值班的上班模式后，機房值班人員相對較少，因此臺站的環(huán)境安全也就顯得尤為重要。在重點部位安裝照明燈燈具是必不可少的，例如機房、工具房、大門天線鐵塔及用電設(shè)備地點的照明，特別是天調(diào)室及機器后面需要燈光常亮照明，以方便設(shè)備有故障時能及時到達機房處理。因此利用風(fēng)能發(fā)電供LED燈照明是既節(jié)能又環(huán)保安全的一個技術(shù)改造方案，此方案最簡單也容易實現(xiàn)。

四、結(jié)束語

總之，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的逐漸完善，永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機用于發(fā)射臺將以較小的成本獲得巨大的收益，在降低發(fā)射成本的同時可以提高發(fā)射運行質(zhì)量，并將在很大程度上降低臺站對電網(wǎng)的依賴并增強抵抗電力故障的能力，為發(fā)射臺站發(fā)展及促進能源結(jié)構(gòu)向綠色、潔凈、環(huán)保的方面發(fā)展做出貢獻！

參考文獻

［1］郝三存，鄭根春.小型風(fēng)力發(fā)電機在通信基站中的應(yīng)用［N］.通信電源新技術(shù)論壇——2010 通信電源學(xué)術(shù)研討會論文集，2010.

［2］朱洪波，張俊杰，霍福鵬.新型能源-風(fēng)力發(fā)電在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r［J］.廣東輸電與變電技術(shù)，2004（3）∶9-14.

［3］張伯泉，楊宜民.風(fēng)力和太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.中國電力，2006，39（6）∶65-69.

［4］朱振宇.通信基站風(fēng)光互補供電系統(tǒng)設(shè)計［J］.浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報，2009，21（4）∶ 38-41.

［5］錢勇.現(xiàn)代通信電源設(shè)備與供電系統(tǒng)的發(fā)展［J］.天津通信技術(shù)2003，6（2）∶1-5.

［6］鄧志輝.直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究［D］.南昌大學(xué)，2012.

［7］耿華，楊耕，馬小亮.并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)綜述［J］.電力電子技術(shù)，2006，40（6）∶33-36.

［8］張喜茂.直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電變流器及控制研究［D］.西南交通大學(xué)，2010.

基金項目：本文為河南省教育廳科技計劃項目《永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中變流器的SVPWM控制技術(shù)研究》的部分研究成果，項目編號：14A470006。

作者簡介：

辛聞（1982—），河南許昌人，工程師，現(xiàn)供職于河南許昌中波轉(zhuǎn)播臺。