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利用变速恒频发电方式,风力机就可以改恒速运行为变速运行,这样就可能使风轮的转速随风速的变化而变化,使其保持在一个恒定的最佳叶尖速比,使风力机的风能利用系数在额定风速以下的整个运行范围内都处于最大值,从而可比恒速运行获取更多的能量.尤其是这种变速机组可适应不同的风速区,大大拓宽了风力发电的地域范围.即使风速跃升时,所产生的风能也部分被风轮吸收,以动能的形式储存于高速运转的风轮中,从而避免了主轴及传动机构承受过大的扭矩及应力,在电力电子装置的调控下,将高速风轮所释放的能量转变为电能,送入电网,从而使能量传输机构所受应力比较平稳,风力机组运行更加平稳和安全.
风力发电机变速恒频控制方案一般有四种:鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统;交流励磁双馈发电机变速恒频风力发电系统;无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统;永磁发电机变速恒频风力发电系统[14~15].
2.1 鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统
采用的发电机为鼠笼式转子,其变速恒频控制策略是在定子电路实现的.由于风速是不断变化的,导致风力机以及发电机的转速也是变化的,所以实际上鼠笼式风力发电机发出的电是频率变化的,即为变频的,通过定子绕组与电网之间的变频器把变频的电能转化为与电网频率相同的恒频电能.尽管实现了变速恒频控制,具有变速恒频的一系列优点,但由于变频器在定子侧,变频器的容量需要与发电机的容量相同,使得整个系统的成本、体积和重量显著增加,尤其对于大容量的风力发电系统.
2.2 双馈式变速恒频风力发电系统
双馈式变速恒频风力发电系统常采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机,其结构与绕线式异步电机类似.由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的,流过转子电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率,该转差功率仅为定子额定功率的一小部分,故所需的双向变频器的容量仅为发电机容量的一小部分,这样该变频器的成本以及控制难度大大降低.这种采用交流励磁双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制,减少变频器的容量外,还可实现对有功、无功功率的灵活控制,对电网而言可起到无功补偿的作用.缺点是交流励磁发电机仍然有滑环和电刷.
目前已经商用的有齿轮箱的变速恒频系统,大部分采用绕线式异步电机作为发电机,由于绕线式异步发电机有滑环和电刷,这种摩擦接触式结构在风力发电恶劣的运行环境中较易出现故障.而无刷双馈电机定子有两套级数不同绕组,转子为笼型结构,无须滑环和电刷,可靠性高.这些优点都使得无刷双馈电机成为当前研究的热点.但在目前,这种电机在设计和制造上仍然存在着一些难题.
2.3 直驱型变速恒频风力发电系统
近几年来,直接驱动技术在风电领域得到了重视.这种风力发电机组采用多极发电机与叶轮直接连接进行驱动,从而免去了齿轮箱这一传统部件,由于其具有很多技术方面的优点,特别是采用永磁发电机技术,其可靠性和效率更高,处于当今国际上领先地位,在今后风电机组发展中将有很大的发展空间.在德国2003 年上半年所安装的风力机中,就有40.9%采用了无齿轮箱系统.直驱型变速恒频风力发电系统的发电机多采用永磁同步发电机,其转子为永磁式结构,无须外部提供励磁电源,提高了效率.其变速恒频控制也是在定子电路实现的,把永磁发电机发出变频的交流电通过变频器转变为与电网同频的交流电,因此变频器的容量与系统的额定容量相同.采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合,省去了齿轮箱,即为直接驱动式结构,这样可大大减少系统运行噪声,提高了可靠性.尽管由于直接耦合,永磁发电机的转速很低,使发电机体积很大,成本较高,但由于省去了价格更高的齿轮箱,所以,整个系统的成本还是降低了.
另外,电励磁式径向磁场发电机也可视为一种直驱风力发电机的选择方案,在大功率发电机组中,它的直径大而轴向长度小.为了能放置励磁绕组和极靴,极距必须足够大,它输出的交流电频率通常低于50 Hz,必须配备整流逆变器.
直驱式永磁风力发电机的效率高、极距小,况且永磁材料的性价比正得到不断提升,应用前景十分广阔.
2.4 混合式变速恒频风力发电系统
直驱式风力发电系统不仅需要低速、大转矩电机而且需要全功率变流器,为了降低电机设计难度,带有低变速比齿轮箱的混合型变速恒频风力发电系统得到实际应用.这种系统可以看成是全直驱传动系统和传统解决方案的一个折中.发电机是多极的,和直驱设计本质上一样,但它更紧凑,相对来说具有更高的速度和更小的转矩.
2.5 其他
开关磁阻发电机和无刷爪极自励发电机也可以用在风力发电系统中.其中,开关磁阻发电机为双凸极电机,定子、转子均为凸极齿槽结构,定子上设有集中绕组,转子上既无绕组也无永磁体,故机械结构简单、坚固,可靠性高.
无刷爪极自励发电机与一般同步电机的区别仅在于它的励磁系统部分.其定子铁心及电枢绕组与一般同步电机基本相同.由于爪极发电机的磁路系统是一种并联磁路结构,所有各对极的磁势均来自一套共同的励磁绕组,因此与一般同步发电机相比,励磁绕组所用的材料较省,所需的励磁功率也较小.几种变速恒频控制方案的对比如表1所列.
