淺談小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)

1 引言

作為一種價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠、無(wú)溫室氣體排放的新型發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安裝容量正在以每年超過(guò)30%的增長(zhǎng)率在世界范圍得到日益廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)形成一個(gè)年產(chǎn)值超過(guò)五十億美元的全球性產(chǎn)業(yè)。目前安裝的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大多是MW級(jí)與電網(wǎng)互聯(lián)的大型風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，該行業(yè)的技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷完善已日臻成熟。但是用于邊遠(yuǎn)地區(qū)獨(dú)立供電的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還需要克服很多技術(shù)上的難點(diǎn)才能得以廣泛的應(yīng)用。隨著我國(guó)對(duì)“三農(nóng)”投入力度加大，經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，廣大農(nóng)、牧、漁民對(duì)改善生活環(huán)境，提高生活質(zhì)量，解決生活用電的迫切要求，采用小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為局部負(fù)載提供電力，不僅可以減少一次性巨額投資，還可以免除火力發(fā)電系統(tǒng)的溫室氣體排放，改善環(huán)境和農(nóng)村地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)，有益于可持續(xù)性發(fā)展[1][2]。

2 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械。從能量轉(zhuǎn)換的角度看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由兩大部分組成：其一是風(fēng)力機(jī)，它的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；其二是發(fā)電機(jī)，它的功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能[3]。

小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它一般由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、尾舵和電氣控制部分等構(gòu)成。常規(guī)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多由感應(yīng)發(fā)電機(jī)或永磁同步發(fā)電機(jī)加AC/DC變換器、蓄電池、逆變器組成[4]。在風(fēng)的吹動(dòng)下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，使空氣動(dòng)力能轉(zhuǎn)變成了機(jī)械能（轉(zhuǎn)速+扭矩）。風(fēng)輪的輪轂固定在發(fā)電機(jī)軸上，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)了發(fā)電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)永磁三相發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電。風(fēng)速的不斷變化、忽大忽小，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流和電壓也隨著變化。發(fā)出的電經(jīng)過(guò)控制器的整流，由交流電變成了具有一定電壓的直流電，并向蓄電池進(jìn)行充電。從蓄電池組輸出的直流電，通過(guò)逆變器后變成了220V的交流電，供給用戶的家用電器。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同又分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型風(fēng)力機(jī)。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)亦稱獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力機(jī)，是應(yīng)用在無(wú)電網(wǎng)地區(qū)的風(fēng)力機(jī)，一般功率較小。獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力機(jī)一般需要與蓄電池和其他控制裝置共同組成獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。這種獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)可以是幾kW乃至幾十kw，解決一個(gè)村落的供電系統(tǒng)，也可以是幾十到幾百W的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以解決一家一戶的供電。

圖1 獨(dú)立運(yùn)行小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

3 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電力變換裝置

由于風(fēng)能的隨機(jī)性，發(fā)電機(jī)所發(fā)出電能的頻率和電壓都是不穩(wěn)定的，以及蓄電池只能存儲(chǔ)直流電能，無(wú)法為交流負(fù)載直接供電。因此，為了給負(fù)載提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的電能和滿足交流負(fù)載用電，需要在發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間加入電力變換裝置，這種電力變換裝置主要由整流器、逆變器、控制器、蓄電池等組成[5][6]。

3.1 整流器

整流器的主要功能是對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電進(jìn)行整流，整流后的直流電經(jīng)過(guò)控制器再對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。一般采用的都是三相橋式整流電路。在風(fēng)電支路中整流器的另外一個(gè)重要的功能是，在外界風(fēng)速過(guò)小或者基本沒(méi)風(fēng)的情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率也較小，由于三相整流橋的二極管導(dǎo)通方向只能是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出端到蓄電池，所以防止了蓄電池對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的反向供電。

獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，有風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)，需要配以適當(dāng)?shù)恼髌鳎拍軐?duì)蓄電池充電。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容量不同，整流器分為可控與不可控兩種?？煽卣髌髦饕獞?yīng)用在功率較大的系統(tǒng)中，可以減小電感過(guò)大帶來(lái)的體積大、損耗大等缺點(diǎn)；不可控整流器主要應(yīng)用于小功率系統(tǒng)中。

3.2 逆變器

逆變器是在電力變換過(guò)程中經(jīng)常使用到的一種電力電子裝置，它的主要作用就是將蓄電池存儲(chǔ)的或由整流橋輸出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)載所能使用的交流電。目前獨(dú)立運(yùn)行小型風(fēng)電系統(tǒng)的逆變器多數(shù)為電壓型單相橋式逆變器。在風(fēng)力發(fā)電中所使用的逆變器要求具有較高的效率，特別是輕載時(shí)的效率要高，這是因?yàn)轱L(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常運(yùn)行在輕載狀態(tài)。另外，由于輸入的蓄電池電壓隨充、放電狀態(tài)改變而變動(dòng)較大，這就要求逆變器能在較大的直流電壓變化范圍內(nèi)正常工作，而且要保證輸出電壓的穩(wěn)定[7]。

過(guò)去風(fēng)力機(jī)的控制器和逆變器是分開的，現(xiàn)在多數(shù)廠家都采用控制器和逆變器一體化的方案?？刂破鲗l(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電整流后，充入蓄電池組。逆變器將蓄電池組輸出的直流電轉(zhuǎn)換成220V交流電，并提供給用電器[8]。

逆變器按輸人方式分為兩種：

（1）直流輸入型：逆變器輸入端直接與電瓶連接的產(chǎn)品；

（2）交流輸入型：逆變器輸入端與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)交流輸出端連接的產(chǎn)品，即控制、逆變一體化的產(chǎn)品。

逆變器的保護(hù)功能有：

（1）過(guò)充保護(hù)：當(dāng)風(fēng)速持續(xù)較高，蓄電池充電很足，蓄電池組電壓超過(guò)額定電壓1.25倍時(shí)，控制器停止向蓄電池充電，多余的電流流向卸荷器。

（2）過(guò)放保護(hù)：當(dāng)風(fēng)速長(zhǎng)期較低，蓄電池充電不足，蓄電池組電壓低于額定電壓0.85倍時(shí)，逆變器停止工作，不再向外供電。當(dāng)風(fēng)速再增高，蓄電池組電壓恢復(fù)到額定電壓的1.1倍時(shí)，逆變器自動(dòng)恢復(fù)工作、向外供電。

3.3 蓄電池[9][10]

在獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，廣泛采用蓄電池作為蓄能裝置。蓄電池的作用是當(dāng)風(fēng)力較強(qiáng)或負(fù)荷減小時(shí)，可以將來(lái)自風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能中的一部分儲(chǔ)存在蓄電池中，也就是向蓄電池充電。當(dāng)風(fēng)力較弱、無(wú)風(fēng)或用電負(fù)荷增大時(shí)，儲(chǔ)存在蓄電池中的電能向負(fù)荷供電，以補(bǔ)足風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)電能的不足，達(dá)到維持向負(fù)荷持續(xù)穩(wěn)定供電的作用。

蓄電池主要有普通蓄電池、堿性鎘鎳蓄電池以及閥控式密封鉛酸蓄電池三類。普通鉛酸蓄電池由于具有使用壽命短、效率低、維護(hù)復(fù)雜、所產(chǎn)生的酸霧污染環(huán)境等問(wèn)題，其使用范圍很有限，目前已逐漸被閥控式密封鉛酸蓄電池所淘汰。閥控式密封鉛酸蓄電池整體采用密封結(jié)構(gòu)，不存在普通鉛酸蓄電池的氣漲、電解液滲漏等現(xiàn)象，使用安全可靠、壽命長(zhǎng)，正常運(yùn)行時(shí)無(wú)須對(duì)電解液進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)酸加水，又稱為免維護(hù)蓄電池，目前已被廣泛地應(yīng)用到郵電通信、船舶交通、應(yīng)急照明等許多領(lǐng)域。堿性鎘鎳蓄電池的特點(diǎn)是體積小、放電倍率高、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)，但由于它單體電壓低、易漏電、造價(jià)高且容易對(duì)環(huán)境造成污染，因而其使用受到限制，現(xiàn)主要應(yīng)用在電動(dòng)工具及各種便攜式電子裝置上。

目前在大多數(shù)風(fēng)電系統(tǒng)或太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中采用的都是閥控式密封鉛酸蓄電池。蓄電池是影響風(fēng)電系統(tǒng)壽命的關(guān)鍵因素，對(duì)閥控式密封鉛酸蓄電池充放電的控制直接影響蓄電池的壽命，不合理的充放電將直接導(dǎo)致蓄電池的崩潰。在大多數(shù)的風(fēng)電系統(tǒng)中，都是由CPU來(lái)監(jiān)測(cè)并控制蓄電池的充放電過(guò)程，較多采用分階段法來(lái)優(yōu)化充電過(guò)程。因?yàn)榉蛛A段充電過(guò)程符合閥控式密封鉛酸蓄電池的特性，能很好地保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)其使用壽命。

4 最大輸出功率調(diào)節(jié)方式

在風(fēng)力發(fā)電中，由于風(fēng)速變幻莫測(cè)，使對(duì)其的利用存在一定的困難。風(fēng)速的變化使風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率發(fā)生變化，從而使發(fā)電機(jī)輸出功率產(chǎn)生波動(dòng)而使電能質(zhì)量下降，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電能質(zhì)量穩(wěn)定成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的重要問(wèn)題。所以改善風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率，對(duì)于最充分地利用風(fēng)能資源有著十分重要的意義。

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電供電方式的不同將功率輸出定性地分為兩類：調(diào)節(jié)機(jī)械功率，在風(fēng)力機(jī)控制回路加調(diào)節(jié)裝置使風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率穩(wěn)定；調(diào)節(jié)電功率，在發(fā)電機(jī)的控制部分加入反饋，使用快速響應(yīng)的控制器和優(yōu)化控制策略來(lái)控制發(fā)電機(jī)輸出功率[11]。

4.1 定漿距失速調(diào)節(jié)

失速調(diào)節(jié)方式是指漿葉本身所具有的失速特性，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，氣流的攻角增大到失速條件，使?jié){葉的表面產(chǎn)生渦流，降低葉片氣動(dòng)效率，影響能量捕獲。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率控制擾動(dòng)法失速調(diào)節(jié)一般用于恒速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中[11-13]。

4.2 變漿距調(diào)節(jié)

為了提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證風(fēng)力機(jī)輸出功率平穩(wěn)，可以通過(guò)漿距調(diào)節(jié)使風(fēng)力機(jī)適應(yīng)風(fēng)速的變化，達(dá)到最優(yōu)的功率輸出。變漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不完全依靠葉片的氣動(dòng)特性，而主要是依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率。在靜止時(shí)節(jié)距角為90°，這時(shí)氣流對(duì)槳葉不產(chǎn)生力矩，整個(gè)槳葉相當(dāng)于一塊阻尼板。當(dāng)達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳葉向0°方向轉(zhuǎn)動(dòng)，氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的攻角，葉輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)。在額定風(fēng)速以下時(shí)，葉片的攻角處于0°附近，此時(shí)葉片角度受控制精度的影響，變化范圍很小，可等同于定漿矩風(fēng)機(jī)。在額定風(fēng)速以上時(shí)，變漿距機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整葉片攻角，保證發(fā)電機(jī)的功率在允許范圍之內(nèi)。變漿距風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速比較低，這對(duì)增加發(fā)電量幾乎沒(méi)有什么意義，停機(jī)時(shí)對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)沖擊小，風(fēng)力機(jī)正常工作時(shí)主要采用功率控制[11-13]。

4.3 主動(dòng)失速調(diào)節(jié)

這種調(diào)節(jié)方式是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合。在低風(fēng)速時(shí)，采用變漿距調(diào)節(jié)，可達(dá)到更高的氣動(dòng)效率；當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率后，風(fēng)機(jī)按照變漿距調(diào)節(jié)時(shí)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)漿距相反的方向改變漿距，這種調(diào)節(jié)將引起葉片攻角的變化，從而導(dǎo)致更深層次的失速，可使功率輸出更加平滑。這種調(diào)節(jié)方式綜合前兩種調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點(diǎn)，類似變漿距調(diào)節(jié)，但不需要很靈敏的調(diào)節(jié)速度，大風(fēng)時(shí)，整個(gè)機(jī)組受到的沖擊也較小[13]。

5 結(jié)束語(yǔ)

小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為農(nóng)村能源的組成部分，它的推廣應(yīng)用對(duì)于改善用電結(jié)構(gòu)，特別是邊遠(yuǎn)山區(qū)的生產(chǎn)、生活用能，推動(dòng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)諸領(lǐng)域的發(fā)展將發(fā)揮積極作用，因此具有廣闊的市場(chǎng)前景。風(fēng)能具有隨機(jī)性和不確定性，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。簡(jiǎn)化小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、降低成本、提高可靠性及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，對(duì)于小型風(fēng)力風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的推廣具有非常重要意義。

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