風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電能變換裝置設(shè)計方案

O 引言

伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展及人口的增長，人類對能源的需求增加，而以煤炭、石油為主的常規(guī)能源存在有限性，且污染和破壞自然環(huán)境。風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，并且資源豐富，有著無需開采、運輸?shù)奶攸c。目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分非直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，前者主要采用齒輪箱對風(fēng)輪機提速后，驅(qū)動常規(guī)異步發(fā)電機，而直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電在整個體系結(jié)構(gòu)中，由于省去了增速齒輪箱，減小了風(fēng)力發(fā)電機的體積和重量，省去了維護，降低了風(fēng)力發(fā)電機的運行噪聲，所以研究直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電能變換裝置對提高風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率及開發(fā)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的推廣，有著重要的社會效益和經(jīng)濟效益。

1 常規(guī)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特性

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用低速的永磁同步發(fā)電機取代了異步發(fā)電機，在永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)輪機將捕獲的風(fēng)能以機械能的形式驅(qū)動永磁發(fā)電機，永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速的變化而進行變化，發(fā)出電壓和頻率都變化的電能，需要經(jīng)過電能變換電路輸出恒壓恒頻的電能?，F(xiàn)階段常規(guī)離網(wǎng)型戶用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

風(fēng)速的時變性，使得風(fēng)力發(fā)電機的電壓及頻率變化，不易于直接被負載利用，所以目前的獨立運行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過“交流-直流-交流”的轉(zhuǎn)換方式供電，且要考慮風(fēng)速很弱及無風(fēng)的情況，系統(tǒng)的裝置中使用了蓄電池進行儲能。先用整流器將發(fā)電機的交流電變成直流電向蓄電池充電，再用逆變器將直流電變換成電壓和頻率穩(wěn)定的交流電輸出供給負載使用。系統(tǒng)的能量傳輸分配中要經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換：電能-化學(xué)能-電能，能量的利用率偏低，且由于風(fēng)力發(fā)電發(fā)出的能量較小，往往達不到負載需求的電能。

2 改造后的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

2．1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本組成

針對直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電的特性，研究設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)由風(fēng)輪機、永磁同步發(fā)電機、電能變換裝置(整流器、直流調(diào)壓裝置、逆變器)、控制器、泄能負載、蓄電池、制動剎車裝置和用戶負載等組成，其設(shè)計研究的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成原理圖如圖2所示。

2．2 能量傳輸分配分析

分析在正常情況下的能量流動路徑，由圖2所列出的風(fēng)電系統(tǒng)的供電模式可知，在考慮風(fēng)速大于切入風(fēng)速及小于切出風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中的能量傳輸?shù)年P(guān)系大體上分4種情況如圖3所示。

正常啟動風(fēng)速到達后，風(fēng)輪機開始運行，當(dāng)風(fēng)速較大時，風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)出的電能，經(jīng)過電能變換裝置調(diào)節(jié)后，得到用戶負載所需要的交流電，多余的電能經(jīng)過蓄電池儲存起來；當(dāng)風(fēng)速不足時，風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)出的電能較小或則不發(fā)電能，此時由蓄電池發(fā)電給電能變換裝置，進而變換后，供給用戶負載；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)出的電能遠大于用戶所需的電能，且在蓄電池電量已被充滿的情況下，采用泄能負載控制器對多余的電能放電。