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多级变速风力发电比较研究

摘要：通过与几种主要风力发电技术的性能特点的对比研究，说明了多级变速风力发电有风能利用率较高、成本低、经济实用等特点。

关键词：风力发电；多级变速；恒速恒频；变速恒频。

引言

随着人类社会的发展,地球上煤炭、石油、天然气等地下资源正面临着枯竭的危险，同时严重的环境污染也已成为威胁人类生存的主要问题。发展利用风能等可再生能源已成为我国长期的能源战略，目前我国风力发电装机容量仅占我国可利用风力资源的0.1%，根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，风电到2020年很可能超越核电，成为我国第三大发电形式。在风力发电中如何提高风能利用率及风电设备质量是至关重要的，是首先要面对并解决的工程技术，它和采用哪种风力发电技术有直接的关系，按风力机转速是否可变来区分，传统上可分为“恒速恒频”和“变速恒频”2种风力发电技术。“恒速恒频”技术中风力机的叶轮转速始终保持不变以达到标准的频率、电压等电力要求，该技术只能在某一风速下实现风力机最大风能利用；“变速恒频”技术中风力机的叶轮转速可随风速的变化而变动，可实现在各种风速下风力机都能获得最大的风能利用，自20世纪70年代中期形成以来，变速恒频技术已越来越受到重视，并逐步得到应用，但由于该技术的恒频控制装置较为复杂和昂贵，因而还没有大量地被采用；“多级变速”风力发电技术中风力机的叶轮能在几个转速点转动，该技术把风速分为几个范围，不同范围的风速对应几个叶轮转速点，可实现在几个风速下风力机获得最大的风能利用，并输出频率恒定的电能，该技术风能利用率相对较高、经济实用、简单可靠。

1 风能利用比较分析

风能利用率与风力机输出功率系数Cp有直接的关系，而功率系数Cp在特定的风力条件下主要受风力机叶尖速比的影响，其关系如图1所示，由图1可知只有在某一确定的尖速比值下功率系数Cp才达到最大值，且尖速比离该点越远风力机输出功率系数Cp下降越快，风能利用率越低。传统的“恒速恒频”的风力机转速始终保持不变，而当风速变化时叶尖速比值必然发生变化，Cp显然不可能保持在最大值，其风能利用率也相对较低；只有风机叶轮转速和发电机主轴转速随风速的变化可在很大范围内变化，才能使风力机的叶尖速比处于或接近于最佳值，从而最大限度地利用风能，这种技术称为变速恒频风力发电技术。

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假设恒速恒频风力发电方式在10m/s风速时获得最大风能，即该点功率系数Cp最大，以风速为横坐标、功率系数为纵坐标可画出功率系数和风速的关系图2，同样画出变速恒频风力发电的功率系数和风速的关系图3，及多级变速风力发电（3个恒频转速点）的功率系数和风速的关系图4，由图4可知多级变速风力发电在8m/s、10m/s、12m/s的3个风速点能获得最大功率系数，即风能利用最大；而变速恒频风力发电在整个工作风速范围内都可最大地利用风能；恒速恒频风力发电只是在10m/s左右风速利用风能。设变速恒频风力发电在整个风速工作范围内风能利用量为1个单位，则多级变速风力发电风能利用量能达到80%左右，恒速恒频风力发电风能利用量约为40%。

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图2 恒速恒频中风速与功率系数关系

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图3变速恒频中风速与功率系数关系

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图4多级变速中风速与功率系数关系

2 风力发电技术具体比较分析

“多级变速”风力发电技术除风能利用率相对“恒速恒频”较高外，和其他3种主要风力发电技术作比较分析，它还有其他性能上的特点，具体如表1所示。

表1 主要风力发电机特性

发电技术	优点	缺点
恒速恒频发电	技术成熟，一般采用感应电机，电机结构简单；并网无需同步装置；运行时只需适当限制负载，无失步现象。	需全功率机械增速（如图5）；不同风速下，风机转速不变，风能利用率低；当风力较小时，有“大功率电机发小功率电能”现象，发电机效率低。
低速直驱发电	属特殊的恒速恒频发电机，一般用永磁发电机，无需齿轮增速箱，机械传动机构简单，维护费用低；自身有无功补偿能力。	电机极对数多，制造复杂，成本较高；电机体积大（如图6），700KW电机其直径超过4m，对气流有影响；有“大功率电机发小功率电能”现象。
变频双馈发电	风机的转速可大范围变化而不影响输出电力的频率；叶轮的叶尖速比可处于最价值，风能利用率高；通过控制双向变频器，可灵活调节系统的有功和无功功率，抑制谐波，提高电力质量；可实现无齿轮箱驱动。	变频控制技术复杂，设备昂贵，目前只有德国等几个国家采用；有“大功率电机发小功率电能”现象（如图7）。
多级变速风力发电	和恒速恒频发电机属同类技术，但较前者风能利用率有很大提高；没有“大功率电机发小功率电能”现象；成本相对较低，发电机效率高。	体积增大，风能利用相对低（如图8）。

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图5 恒速恒频风力发电机

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3 多级变速风力发电优点

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多级变速风力发电的技术方案如图9所示，尽管增加了一个小功率的多极对数发电机2，设置了一个变速器，但其优点也是明显的，主要有以下几点：

1、相比恒速恒频发电机系统的增速箱（如图10所示），多级变速风力发电的变速器为低速变速箱，降低了润滑要求，减少了维护费用。

2、小功率的多极对数发电机2和永磁直驱发电机相比，极对数并不多，并且是小功率电机，其体积不足以影响风机气流，成本也相对不高。

3、由于风速不大、风机输入功率较小时，只有小功率发电机2起发电作用，不存在“大功率发小电”现象，提高了发电机的效率，延长了大功率发电机1的寿命。

4、把发电机2的电力频率和机械转速，通过绕线型异步发电机1“合频”，降低了大功率发电机1的机械增速比，基本实现了“直接驱动”。

5、通过变速器的机械变速和发电机2定子绕组的变极，实现风机叶轮转速在一定范围内能有级变化，使得叶轮在一定范围的风力变化中都能以较佳的叶尖速比捕捉风能，提高风能利用率。控制发电机2转子绕组的电阻值，改变电机的滑差率，进一步扩大了叶轮转速的变化范围。

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4结束语

综上所述，多级变速风力发电技术的核心在于：按照风力大小变化特点，增加了一个小功率的多极对数发电机，利用绕线式异步发电机“合频”特性，既提高了发电机发电效率，又降低了大功率发电机的机械增速比，基本实现了“直接驱动”；同时，通过机械变速和电机变极，实现风机转速在一定范围内能有级变化，并使电能保持恒频,提高了风能利用率。 1/8/2011


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