淺談小型風力發(fā)電機

1 引言

作為一種價格低廉、運行可靠、無溫室氣體排放的新型發(fā)電系統(tǒng)，風力發(fā)電系統(tǒng)的安裝容量正在以每年超過30%的增長率在世界范圍得到日益廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)形成一個年產(chǎn)值超過五十億美元的全球性產(chǎn)業(yè)。目前安裝的風力發(fā)電系統(tǒng)大多是MW級與電網(wǎng)互聯(lián)的大型風機系統(tǒng)，該行業(yè)的技術(shù)經(jīng)過不斷完善已日臻成熟。但是用于邊遠地區(qū)獨立供電的小型風力發(fā)電系統(tǒng)還需要克服很多技術(shù)上的難點才能得以廣泛的應(yīng)用。隨著我國對“三農(nóng)”投入力度加大，經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，廣大農(nóng)、牧、漁民對改善生活環(huán)境，提高生活質(zhì)量，解決生活用電的迫切要求，采用小型風力發(fā)電系統(tǒng)為局部負載提供電力，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 小型風力發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

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

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

風力發(fā)電機根據(jù)應(yīng)用場合的不同又分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型風力機。離網(wǎng)型風力發(fā)電機亦稱獨立運行風力機，是應(yīng)用在無電網(wǎng)地區(qū)的風力機，一般功率較小。獨立運行風力機一般需要與蓄電池和其他控制裝置共同組成獨立運行風力機發(fā)電系統(tǒng)。這種獨立運行系統(tǒng)可以是幾kW乃至幾十kw，解決一個村落的供電系統(tǒng)，也可以是幾十到幾百W的小型風力發(fā)電機組以解決一家一戶的供電。

圖1 獨立運行小型風力發(fā)電系統(tǒng)

3 小型風力發(fā)電機的電力變換裝置

由于風能的隨機性，發(fā)電機所發(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直流電能，無法為交流負載直接供電。因此，為了給負載提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的電能和滿足交流負載用電，需要在發(fā)電機和負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風力發(fā)電機輸出的三相交流電進行整流，整流后的直流電經(jīng)過控制器再對蓄電池進行充電。一般采用的都是三相橋式整流電路。在風電支路中整流器的另外一個重要的功能是，在外界風速過小或者基本沒風的情況下，風力發(fā)電機的輸出功率也較小，由于三相整流橋的二極管導(dǎo)通方向只能是由風力發(fā)電機的輸出端到蓄電池，所以防止了蓄電池對風力發(fā)電機的反向供電。

獨立運行的小型風力發(fā)電系統(tǒng)中，有風輪驅(qū)動的交流發(fā)電機，需要配以適當?shù)恼髌?，才能對蓄電池充電。根?jù)風力發(fā)電系統(tǒng)的容量不同，整流器分為可控與不可控兩種。可控整流器主要應(yīng)用在功率較大的系統(tǒng)中，可以減小電感過大帶來的體積大、損耗大等缺點；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的或由整流橋輸出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樨撦d所能使用的交流電。目前獨立運行小型風電系統(tǒng)的逆變器多數(shù)為電壓型單相橋式逆變器。在風力發(fā)電中所使用的逆變器要求具有較高的效率，特別是輕載時的效率要高，這是因為風電發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常運行在輕載狀態(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]。

過去風力機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：逆變器輸入端與風力發(fā)電機組的發(fā)電機交流輸出端連接的產(chǎn)品，即控制、逆變一體化的產(chǎn)品。

逆變器的保護功能有：

（1）過充保護：當風速持續(xù)較高，蓄電池充電很足，蓄電池組電壓超過額定電壓1.25倍時，控制器停止向蓄電池充電，多余的電流流向卸荷器。

（2）過放保護：當風速長期較低，蓄電池充電不足，蓄電池組電壓低于額定電壓0.85倍時，逆變器停止工作，不再向外供電。當風速再增高，蓄電池組電壓恢復(fù)到額定電壓的1.1倍時，逆變器自動恢復(fù)工作、向外供電。

3.3 蓄電池[9][10]

在獨立運行的小型風力發(fā)電系統(tǒng)中，廣泛采用蓄電池作為蓄能裝置。蓄電池的作用是當風力較強或負荷減小時，可以將來自風力發(fā)電機發(fā)出的電能中的一部分儲存在蓄電池中，也就是向蓄電池充電。當風力較弱、無風或用電負荷增大時，儲存在蓄電池中的電能向負荷供電，以補足風力發(fā)電機所發(fā)電能的不足，達到維持向負荷持續(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、維護復(fù)雜、所產(chǎn)生的酸霧污染環(huán)境等問題，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，正常運行時無須對電解液進行檢測和調(diào)酸加水，又稱為免維護蓄電池，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是體積小、放電倍率高、運行維護簡單、壽命長，但由于它單體電壓低、易漏電、造價高且容易對環(huán)境造成污染，因而其使用受到限制，現(xiàn)主要應(yīng)用在電動工具及各種便攜式電子裝置上。

目前在大多數(shù)風電系統(tǒng)或太陽能光伏系統(tǒng)中采用的都是閥控式密封鉛酸蓄電池。蓄電池是影響風電系統(tǒng)壽命的關(guān)鍵因素，對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)的風電系統(tǒng)中，都是由CPU來監(jiān)測并控制蓄電池的充放電過程，較多采用分階段法來優(yōu)化充電過程。因為分階段充電過程符合閥控式密封鉛酸蓄電池的特性，能很好地保護蓄電池，延長其使用壽命。

4 最大輸出功率調(diào)節(jié)方式

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

根據(jù)風力發(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)機械功率，在風力機控制回路加調(diào)節(jié)裝置使風力機輸出機械功率穩(wěn)定；調(diào)節(jié)電功率，在發(fā)電機的控制部分加入反饋，使用快速響應(yīng)的控制器和優(yōu)化控制策略來控制發(fā)電機輸出功率[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，當風速高于額定風速時，氣流的攻角增大到失速條件，使?jié){葉的表面產(chǎn)生渦流，降低葉片氣動效率，影響能量捕獲。小型風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率控制擾動法失速調(diào)節(jié)一般用于恒速運行的風力發(fā)電機中[11-13]。

4.2 變漿距調(diào)節(jié)

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

4.3 主動失速調(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。在低風速時，采用變漿距調(diào)節(jié)，可達到更高的氣動效率；當風機達到額定功率后，風機按照變漿距調(diào)節(jié)時風機調(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，類似變漿距調(diào)節(jié)，但不需要很靈敏的調(diào)節(jié)速度，大風時，整個機組受到的沖擊也較小[13]。

5 結(jié)束語

小型風力發(fā)電系統(tǒng)作為農(nóng)村能源的組成部分，它的推廣應(yīng)用對于改善用電結(jié)構(gòu)，特別是邊遠山區(qū)的生產(chǎn)、生活用能，推動生態(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前景。風能具有隨機性和不確定性，風力發(fā)電系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)。簡化小型風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、降低成本、提高可靠性及實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運行，對于小型風力風力發(fā)電系統(tǒng)的推廣具有非常重要意義。

參考文獻
[1]張春友,田德,王海寬.我國小型風力發(fā)電機的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].農(nóng)村牧區(qū)機械化,2008(2)：38-39.
[2]李德孚.小型風力發(fā)電行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù),2007(1):47-50.
[3]鄧可蘊.戶用小型風力發(fā)電機使用與維護[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社,2006.
[4]劉萬琨.風能與風力發(fā)電技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社,2007.
[5]倪受元.風力發(fā)電講座第一講~第五講[J].太陽能,2000(2~4),2001(l~3).
[6]Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins. Wind Enegry HnadBook[M]，2001.
[7]張興,陳玲,楊淑英.離網(wǎng)型小型風力發(fā)電系統(tǒng)逆變器的控制[J].電力系統(tǒng)自動化.2008(23):95-99.
[8]許頗,張興,張崇巍.采用Z源變換器的小型風力并網(wǎng)逆變系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學報.2008(4):93-97.
[9]王承煦,張源.風力發(fā)電[M].北京:中國電力出版社,2003.
[10]葉杭治.風力發(fā)電機組的控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.
[11]陳星鶯,劉孟覺,單淵達.風力發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化輸出技術(shù)的研究[J].電力自動化設(shè)備.2000(5):7-10.
[12]潘文霞,陳允平,沈祖詒.風力發(fā)電機的發(fā)展現(xiàn)狀[J].中小型電機.2001,28(4):38-41.
[13]武鑫,趙斌.并網(wǎng)型風力發(fā)電機組的調(diào)節(jié)控制[J].太陽能.2003(4):24-25.
[14]金如麟,譚娃.小型風力發(fā)電機的最大輸出功率[J].中小型電機.2000(2)：37-39.
[15]Erickson RW. Fundamentals of power electronics[M]. 2nded. Norwell, USA: Kluwer Academic, 2001.
[16]Teodorescu R, Blaabjerg F. Flexible Control of Small Wind Turbines with Grid Failure Detection Operating in Stand Alone and Grid Connected Mode. IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, 19(5):1323～1332.
[17]Wang Q, chang L.An Intelligent Maximum Power Extraction Algorithm for Inverter-Based Variable Speed Wind Turbine System. IEEE Transaction on Power Electronics, 2004,19(5):1242～1249.