四級變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)分析研究

隨著人類社會的發(fā)展，地球上煤炭、石油、天然氣等地下資源正面臨著枯竭的危險，同時嚴重的環(huán)境污染也已成為威脅人類生存的主要問題。發(fā)展利用風(fēng)能等可再生能源已成為我國長期的能源戰(zhàn)略，目前我國風(fēng)力發(fā)電裝機容量僅占我國可利用風(fēng)力資源0.1%，根據(jù)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》，風(fēng)電到2020年很可能超越核電，成為我國第三大發(fā)電形式。在風(fēng)力發(fā)電中如何提高風(fēng)能利用率及風(fēng)電質(zhì)量是至關(guān)重要的，是首先要面對并解決的工程技術(shù)。傳統(tǒng)“恒速恒頻”發(fā)電技術(shù)中風(fēng)力機的葉輪轉(zhuǎn)速始終保持不變以達到標(biāo)準(zhǔn)的頻率、電壓等電力要求，該技術(shù)只能在某一風(fēng)速下實現(xiàn)風(fēng)力機最大風(fēng)能利用[1];在葉片等其他技術(shù)條件相同情況下，如實現(xiàn)在全部工作風(fēng)速或多個風(fēng)速值下風(fēng)力機均能實現(xiàn)最大的風(fēng)能利用，就可能較大地提高風(fēng)能利用率，“多級變速”風(fēng)力發(fā)電技術(shù)就是風(fēng)力機的葉輪能在多個轉(zhuǎn)速點對應(yīng)多個風(fēng)速值轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)在相應(yīng)風(fēng)速值下風(fēng)力機獲得最大的風(fēng)能利用，并輸出頻率恒定的電能 [2]，四級變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是“多級變速”技術(shù)的具體應(yīng)用。

一 四級變速風(fēng)力發(fā)電機原理

多級變速風(fēng)力發(fā)電機主要由2臺發(fā)電機(發(fā)電機1和發(fā)電機2)、控制系統(tǒng)和變速機3部分組成，其技術(shù)原理如圖1所示。大功率的發(fā)電機2的定子繞組與電網(wǎng)連接，向電網(wǎng)輸送頻率為ft的工頻電流，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)控制系統(tǒng)與小功率的發(fā)電機1的定子繞組相連[1]。

大功率的發(fā)電機2只有在風(fēng)速較大(風(fēng)機輸入功率較大)時才和變速機聯(lián)接運行。發(fā)電機2輸出的電流頻率不僅和轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速有關(guān)，還和輸入轉(zhuǎn)子繞組的電流頻率有關(guān)，具有將轉(zhuǎn)子的機械旋轉(zhuǎn)頻率和轉(zhuǎn)子繞組電路的電流頻率“相加”的功能，其定子繞組輸出“頻率相加”后的電流，這一特點簡稱為“合頻”特性。

根據(jù)“合頻”特性，在圖1兩臺電機組合發(fā)電中，發(fā)電機2定子繞組輸出的電流頻率、發(fā)電機1定子繞組輸出的電流頻率和電機轉(zhuǎn)子的機械旋轉(zhuǎn)頻率應(yīng)符合如下關(guān)系[3]：

f1= P1×fn1

ft= P2×fn2 + P1×fn1 (1)

式中：ft——發(fā)電機2定子繞組輸出的電流頻率，與電網(wǎng)頻率相同;

P2——發(fā)電機2的極對數(shù);

fn2——發(fā)電機2的轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)頻率;

P1——發(fā)電機1的極對數(shù);

fn1——發(fā)電機1的轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)頻率。

只要設(shè)計和控制好P1，fn1，P2，fn2這4個參數(shù)，完全可以使發(fā)電機2輸出的電流頻率保持為電網(wǎng)頻率或其他所需頻率，這4個參數(shù)主要由變速機機械變速和改變發(fā)電機極對數(shù)來實現(xiàn)。因此，利用發(fā)電機2“合頻”特性，通過變速機機械變速和改變發(fā)電機極對數(shù)，可實現(xiàn)風(fēng)速變化時風(fēng)力機在多級風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下能輸出恒定頻率的電能，以提高風(fēng)能的利用率。

由式(1)知，增加電機極對數(shù)，可降低機械旋轉(zhuǎn)頻率，相應(yīng)降低轉(zhuǎn)子及齒輪轉(zhuǎn)速，改善潤滑條件，減少維護費用。[4]小功率的發(fā)電機1的額定功率約為發(fā)電機2額定功率的1/4，其電機極對數(shù)一般可以變化。當(dāng)風(fēng)速較小時，變速機只帶動發(fā)電機1工作，發(fā)電機2脫開與變速機的連接停止工作，發(fā)電機1發(fā)出的電流經(jīng)控制系統(tǒng)切換，直接輸?shù)诫娋W(wǎng)或其他電路，由此提高了發(fā)電機發(fā)電效率，延長了大功率發(fā)電機2的壽命;當(dāng)風(fēng)速較大(風(fēng)機輸入功率較大)時，2臺發(fā)電機經(jīng)變速機帶動都發(fā)電工作，且發(fā)電機1發(fā)出的電流經(jīng)控制系統(tǒng)輸入到發(fā)電機2的轉(zhuǎn)子繞組電路進行“合頻”，結(jié)合變速機機械變速、改變電機極對數(shù)等方法，使風(fēng)力發(fā)電裝置輸出的電流頻率仍保持電網(wǎng)頻率。

控制系統(tǒng)主要起到電流切換、改變電機極對數(shù)、控制發(fā)電機1輸向發(fā)電機2的電流頻率等參數(shù)、控制發(fā)電機2轉(zhuǎn)子電路電阻值等作用。改變電阻值可控制電機的滑差率，使得風(fēng)速及風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在小范圍變化時發(fā)電機發(fā)出的電流頻率仍保持恒定[4]。

二 四級變速風(fēng)力發(fā)電實例

設(shè)工作風(fēng)速為5.5m/s(啟動風(fēng)速)到16.5m/s(較大風(fēng)速)，在啟動風(fēng)速5.5m/s處葉輪轉(zhuǎn)速為100rpm時葉輪當(dāng)量葉尖速比為4，此時風(fēng)能利用率為最大(按0.3計)，要實現(xiàn)工作風(fēng)速范圍內(nèi)若干風(fēng)速點(5.5m/s，8.25m/s，11m/s，16.5m/s共4檔風(fēng)速，故稱為四級變速)仍達到最大風(fēng)能利用率，即葉輪當(dāng)量葉尖速比為4，可按(1)設(shè)計機械增速比和發(fā)電機極對數(shù)，由于要保持相同的葉尖速比，對應(yīng)的葉輪轉(zhuǎn)速須同比例變化，分別為100 rpm、150 rpm、200 rpm、300 rpm，葉輪工作頻率為葉輪轉(zhuǎn)速的1/60。為減少齒輪箱成本，提高系統(tǒng)變速自動化程度，葉輪到發(fā)電機2設(shè)計為1級機械變速，速比為5;葉輪到發(fā)電機1設(shè)計為1級機械變速，速比為2.5;發(fā)電機為雙速發(fā)電機[4]，發(fā)電機2的極對數(shù)分別為6和2，發(fā)電機1的極對數(shù)分別為4和2，發(fā)電機2的功率約為發(fā)電機1的1/4。具體關(guān)系如表1所示。

由表1可知(不考慮電機滑差率)，在風(fēng)速11m/s及8.25m/s處，2個發(fā)電機利用“合頻”特性聯(lián)合發(fā)電，發(fā)電機2的輸出接入發(fā)電機1的轉(zhuǎn)子電路。在具體應(yīng)用中，當(dāng)風(fēng)速為7及以下時可用第1種方式，即發(fā)電機2(6極)單獨發(fā)電;當(dāng)風(fēng)速為7上到9.5時可用第2種方式，即發(fā)電機2(2極)與發(fā)電機1(4極)聯(lián)合發(fā)電;當(dāng)風(fēng)速為9.5以上到13時可用第3種方式，即發(fā)電機2(2極)與發(fā)電機1(2極)聯(lián)合發(fā)電;當(dāng)風(fēng)速為13以上時可用第4種方式，即發(fā)電機2(2極)及發(fā)電機1(4極)單獨發(fā)電。

三 結(jié)論

四級變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)利用改變發(fā)電機極對數(shù)及大小2個發(fā)電機的相互配合，達到在4個風(fēng)速點都能實現(xiàn)風(fēng)能最大利用，根據(jù)統(tǒng)計如果變速恒頻風(fēng)力發(fā)電在整個工作風(fēng)速范圍內(nèi)風(fēng)能利用量為1個單位，則四級變速風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能利用量能達到80%左右，恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能利用量約為40%。

而且與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)比還有其他優(yōu)點，相比恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)的增速箱，多級變速風(fēng)力發(fā)電的變速器為低速變速箱，降低了潤滑要求，減少了維護費用;由于風(fēng)速不大、風(fēng)機輸入功率較小時，只有小功率發(fā)電機2起發(fā)電作用，不存在“大功率發(fā)小電”現(xiàn)象，提高了發(fā)電機的效率，延長了大功率發(fā)電機1的壽命。

參考文獻：

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[3]彭曉，楊向宇，石安樂，無刷雙饋電機的原理與結(jié)構(gòu)特征[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報，2002，12(3):1-4。

[4]孫明倫，600 kW/125 kW風(fēng)力發(fā)電機的優(yōu)化設(shè)計[J].上海大中型電機，2003 (3):6-7。