风力发电系统分类方法分析

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：图5-35 风力发电系统类型按风力发电机的转速是否恒定，风力发电系统又可分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统。变速恒频风力发电系统目前被认为是性能较优的一种风电系统，可以实现转速的大范围调节，使风能利用系数保持在最佳值；同时，能吸收和存储阵风能量，减少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应力和转矩脉动，延长机组寿命，减少噪声。

风力发电系统按照传动类型、风力发电机转速的运行状态、功率变换器容量以及是否并接电网可进行不同风力发电系统类型的划分。

按照风力机与发电机是否直接传动，风力发电系统可分为非直驱式和直驱式风力发电系统，如图5-35所示。就非直驱式风力发电系统而言，由于风力机转速较低，如大型风力机的转速低至每分钟几十甚至十几转。而为了减少发电机的体积，发电机一般都设计成高速旋转，因而可通过升速齿轮箱来实现风力机与发电机的转速配比和传动，使风力机轴上的低速旋转输入转变为发电机上的高速旋转输出，如图5-35a所示。非直驱式风力发电系统中的发电机类型主要有异步发电机、电励磁同步发电机和永磁同步发电机等。其中，异步发电机又有笼型、绕线式、无刷双馈和定子双绕组异步发电机等；而直驱式风力发电系统省去了齿轮箱，具有传动链损失少、易维护和可靠性高等优点。另外，简化了机舱设计、降低了噪声，具有较好的发展潜力^[137-139]。由于电动机直接和风机转轴相连，直驱风力发电机具有转速低和功率大的特点，这就要求直驱风力发电机具有较大的直径。为了在此基础上降低电动机的体积和质量，直驱风力发电机必须采用多极结构，同时还要求电动机具有大的气隙。直驱风力发电机主要有电励磁同步发电机、永磁同步发电机、混合励磁同步发电机和开关磁阻发电机等。

图5-35 风力发电系统类型

按风力发电机的转速是否恒定，风力发电系统又可分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统。所谓恒速恒频，是指保持发电机的转速不变，从而得到频率不变的交流电输出。由于风速经常变化，根据图5-34，风能利用系数C_p不可能保持在最佳值，即不能最大限度地捕获风能。而在变速恒频系统中，发电机转速可随风速变化，通过调节桨距或发电机转矩，以保持最佳叶尖速率比获得最大风能。另外，通过功率电子变换器可将发电机输出的变频交流电经过适当的控制转换成恒频交流电。变速恒频风力发电系统目前被认为是性能较优的一种风电系统，可以实现转速的大范围调节，使风能利用系数保持在最佳值；同时，能吸收和存储阵风能量，减少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应力和转矩脉动，延长机组寿命，减少噪声。另外，还可采取一定的控制策略控制有功功率和无功功率，改善电能质量。

若按风力发电机与电网是否连接，风力发电系统也可分为非并网风力发电和并网风力发电系统两种。非并网风力发电系统，一般应用在电网未能覆盖的偏远地区或重工业高能耗产业区。用小型风力发电机给蓄电池进行充电，再通过逆变器转换成交流电向终端用电负载供电，单机容量一般都较小。或者采用中型风电机组与柴油发电机或光伏电池组成混合供电系统，解决小型社区的用电问题，一般功率为10～200kW。并网风力发电则是大规模利用风能资源最经济的方式。目前，大机组单机容量范围大多为200～2500kW，最大单机容量甚至已达到6MW。

另外，若按系统中的功率电子变换器的容量大小划分，又可把变速恒频风力发电系统分为全额功率变换型和转差功率变换型。全额功率变换型是指功率电子变换器容量和发电机容量相当；而转差功率变换型是指功率电子变换器容量仅为发电机容量的一部分（与转差成比例的一部分）。对于使用同步电动机、开关磁阻电动机作为风力发电机的风力发电系统，无论风力机直接驱动，还是通过升速齿轮箱驱动，发电机所输出的都为变频交流电。若要得到恒频的交流电能，均需在发电机输出端加装全额功率的功率电子变换器（AC-AC直接变频或AC-DC-AC间接变频）。而对于使用绕线转子（有刷）双馈异步电动机或笼型转子（无刷）双馈异步电动机作为风力发电机的风力发电系统而言，其功率变换器的功率仅为异步电动机运行时的转差功率，因而其功率变换的容量很小，同时，还能实现有功和无功的灵活控制。

风力发电系统分类方法分析

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