直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制策略的思考

葛堅(jiān)+高振宇

【摘 要】現(xiàn)代的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)趨向成熟，而且隨著環(huán)保呼聲的高漲，風(fēng)力發(fā)電的市場前景也比較廣闊。本文在分析直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)面臨問題的基礎(chǔ)上，分析了直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)造，并提出了運(yùn)用多極繞線式同步發(fā)電機(jī)改善失步現(xiàn)象、運(yùn)用多極永磁同步發(fā)電機(jī)提升穩(wěn)定性、運(yùn)用高壓永磁發(fā)電機(jī)型發(fā)電機(jī)節(jié)省齒輪箱等控制策略，希望能夠?yàn)轱L(fēng)機(jī)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供一些借鑒。

【關(guān)鍵詞】精簡結(jié)構(gòu)；勵(lì)磁繞組；多級(jí)繞線

0 引言

風(fēng)能是一種可再生性的能源，并且沒有污染性，能夠同時(shí)滿足人類生產(chǎn)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展環(huán)保理念的需要，因此，近些年來越來越多的企業(yè)開始重視應(yīng)用最新技術(shù)來提升風(fēng)能開發(fā)的效率。另外，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷完善，我國的風(fēng)力發(fā)電開始也向大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化趨勢發(fā)展。而對(duì)于風(fēng)力發(fā)電工程中直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制策略的研究，也關(guān)系著風(fēng)力發(fā)展系統(tǒng)的安全運(yùn)作。

1 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)面臨的問題

以往的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中多采用三相同步發(fā)電機(jī)，部件之間靠“剛性連接”實(shí)行并網(wǎng)發(fā)電，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)的運(yùn)行條件有著很高的要求，如果不能對(duì)電壓進(jìn)行有效控制，可能會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)電中的電壓和功率失衡。在大功率發(fā)電運(yùn)行中，復(fù)雜的電機(jī)結(jié)構(gòu)可能會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，而當(dāng)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的極數(shù)增加之后，也可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)子外圓和定子內(nèi)徑的尺寸遠(yuǎn)超過額定值，增加電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，促使電機(jī)的體積和質(zhì)量迅速增加，并不利于提高電機(jī)機(jī)組的運(yùn)行效率。而且其中使用的一些磁性材料成本較高，但發(fā)電機(jī)中的電壓調(diào)節(jié)性能卻不強(qiáng)，通常發(fā)電系統(tǒng)的變速恒頻控制的實(shí)現(xiàn)要通過定子電路中，而電力系統(tǒng)中變換器的容量要求和發(fā)電機(jī)額定的容量一旦相同，容易增加系統(tǒng)的內(nèi)部損耗，增加系統(tǒng)運(yùn)行的不安全性。另外，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電機(jī)要長時(shí)間運(yùn)行于密封的機(jī)艙中，往往也會(huì)因?yàn)樯嵝阅懿疃黾影l(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷量，使得發(fā)電系統(tǒng)整體的運(yùn)行速率有所降低。

2 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)造

（1）風(fēng)力機(jī)

風(fēng)力機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中主要能夠起到轉(zhuǎn)化風(fēng)能為機(jī)械能的作用，一般情況下風(fēng)會(huì)以特定的運(yùn)行速度和傳播角度推動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的動(dòng)力。風(fēng)力機(jī)中的風(fēng)輪主要由葉片組裝在輪轂上而構(gòu)成，葉片數(shù)目一般視風(fēng)力機(jī)的用途而定，通常為兩到三片，在風(fēng)速大的時(shí)候可以產(chǎn)生效率很高的風(fēng)能利用系數(shù)，給風(fēng)力發(fā)電提供極大的便利。

（2）永磁同步發(fā)電機(jī)

在中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中通常會(huì)采用結(jié)構(gòu)簡單，而且效率還比較高的永磁同步發(fā)動(dòng)機(jī)。永磁同步發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電時(shí)，能為企業(yè)帶來減少維護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行成本的優(yōu)勢，而且這種發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部機(jī)械的傳動(dòng)部件能夠減少發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的噪音，最重要的是它的結(jié)構(gòu)比較簡單，能夠較少復(fù)雜的電機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的各種故障。

（3）變流電路

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間，通常會(huì)加入具有機(jī)側(cè)整流器和網(wǎng)側(cè)逆變器兩大部件的變流電路，以保證發(fā)電機(jī)在風(fēng)力不穩(wěn)定情況下負(fù)荷電量的安全性。當(dāng)前的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中運(yùn)用的逆變器多數(shù)是電壓型單相橋式逆變器，因?yàn)檫@種逆變器輕載時(shí)的效率比較高，能夠保障風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)能夠維持在輕載狀態(tài)下，有助于發(fā)電機(jī)輸出電壓的穩(wěn)定性。

3 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略

（1）運(yùn)用多極繞線式同步發(fā)電機(jī)改善失步現(xiàn)象

在以往使用的三相同步發(fā)電機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)失步現(xiàn)象后，人們開始越來越多的關(guān)注多極繞線式同步發(fā)電機(jī)的使用。這種發(fā)電機(jī)的好處在于能夠通過減少使用齒輪箱，來提升風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證發(fā)電電能的質(zhì)量有所提升[1]。其次，多極繞線式同步發(fā)電機(jī)還能夠讓電力變換器與電網(wǎng)進(jìn)行連接，從而將電壓和頻率調(diào)控在一定的范圍內(nèi)，使得發(fā)電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的工作頻率能夠和電網(wǎng)的頻率保持各自獨(dú)立，避免并網(wǎng)情況下造成電網(wǎng)系統(tǒng)的失步現(xiàn)象。而且，一般情況下多極繞線式同步發(fā)電機(jī)會(huì)用變槳距來控制發(fā)電機(jī)組，運(yùn)用變槳距進(jìn)行控制的好處就是能夠讓機(jī)組保持在最佳的運(yùn)行頻率上，能為電網(wǎng)的運(yùn)行提供更多的發(fā)電量。目前多極繞線式同步發(fā)動(dòng)機(jī)能夠同時(shí)輸出有功和無功兩種功率，而且使用的價(jià)格也比較便宜，還能夠保證有熟練的制造工藝，可以說有是由極高的性價(jià)比，非常適用于大容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

（2）運(yùn)用多極永磁同步發(fā)電機(jī)提升穩(wěn)定性

交流永磁發(fā)電機(jī)中所應(yīng)用的永磁材料主要是鐵氧體和釹鐵硼兩種，這種發(fā)電機(jī)一般會(huì)應(yīng)用在10kW以下的小型直流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，直流電會(huì)依靠風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的連接，在通過整流器后進(jìn)行輸出。多極永磁同步發(fā)電機(jī)能夠改變以往大功率發(fā)電運(yùn)行中復(fù)雜的電機(jī)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障的情況，借用風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)變槳距運(yùn)行功率的有效控制，提升機(jī)組之間的功率密度[2]。因?yàn)橛来虐l(fā)電機(jī)中的定子與常見交流電機(jī)相同，而且轉(zhuǎn)子應(yīng)用的是永磁式結(jié)構(gòu)，不需要?jiǎng)?lì)磁繞組，因此減少了勵(lì)磁繞組帶來的損耗，有助于發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率。當(dāng)前已經(jīng)有不少研究人員將多極永磁發(fā)電機(jī)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)看作是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)未來的主要發(fā)展方向，并加強(qiáng)了對(duì)其研究的力度，也意味著在日后的大型直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電中，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的不斷增加，永磁發(fā)電機(jī)在精簡系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少系統(tǒng)重量方面也會(huì)越來越具有優(yōu)勢，有非常廣闊的發(fā)展前景。

（3）運(yùn)用高壓永磁發(fā)電機(jī)型發(fā)電機(jī)節(jié)省齒輪箱

高壓永磁發(fā)電機(jī)型發(fā)電機(jī)主要是ABB公司研發(fā)出來，采用高壓永磁發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)直接相連的方式，通過控制變槳距，實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電，進(jìn)而進(jìn)行系統(tǒng)的并網(wǎng)，能夠達(dá)到3MW的輸出功率。高壓永磁發(fā)電機(jī)型發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和多極永磁發(fā)電機(jī)型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)很像，轉(zhuǎn)子都是運(yùn)用永磁材料中的釹鐵硼等材料制成的，具有多極的特征，但是高壓永磁發(fā)電機(jī)型發(fā)電系統(tǒng)中定子是電纜電樞繞組，主要由一種圓形的交聯(lián)聚乙烯電纜燒制而成，有很強(qiáng)的絕緣屬性。這種系統(tǒng)的運(yùn)作原理主要是通過電機(jī)釋放高壓電，繼而整流裝置將輸出端連接到直流母線上，再利用逆變器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就可以將交流電傳送到運(yùn)行的電網(wǎng)中。這種發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可以節(jié)省齒輪箱的使用，而且不需要?jiǎng)?lì)磁裝備和滑環(huán)等，能夠精簡電機(jī)的結(jié)構(gòu)，提升電機(jī)機(jī)組的穩(wěn)定性。以往的發(fā)電側(cè)輸出電壓都需要限制在20kV以下，還要讓發(fā)電端與輸電網(wǎng)連接后，借助升壓變壓起進(jìn)行發(fā)電，但高壓永磁發(fā)電系統(tǒng)的先進(jìn)性就在于已經(jīng)結(jié)合了發(fā)電機(jī)和升壓變壓器，這就很大程度上精簡了電機(jī)機(jī)組的構(gòu)成部件，使得發(fā)電系統(tǒng)中的有功和無功損耗都有所降低，避免了很多繁雜的環(huán)節(jié)，能夠減少發(fā)電系統(tǒng)中的損耗，從而產(chǎn)生更多的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

綜上所述，可以得知直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的各種系統(tǒng)都具有其自身的特性和優(yōu)勢。在進(jìn)行兆瓦級(jí)以上的風(fēng)力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可以選用多極繞線式同步發(fā)電機(jī)型或者多極永磁同步發(fā)電機(jī)型，而一些大容量的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)則可以選用高壓永磁同步發(fā)電機(jī)型，這些都是機(jī)組結(jié)構(gòu)比較精簡，而且運(yùn)行安全性極高的發(fā)電系統(tǒng)，都能夠?yàn)橹彬?qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的大力發(fā)展提供推動(dòng)力。

【參考文獻(xiàn)】

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