四級變速風力發電技術分析研究

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

一 四級變速風力發電機原理

多級變速風力發電機主要由2臺發電機(發電機1和發電機2)、控制系統和變速機3部分組成，其技術原理如圖1所示。大功率的發電機2的定子繞組與電網連接，向電網輸送頻率為ft的工頻電流，轉子繞組經控制系統與小功率的發電機1的定子繞組相連[1]。

大功率的發電機2只有在風速較大(風機輸入功率較大)時才和變速機聯接運行。發電機2輸出的電流頻率不僅和轉子的機械轉速有關，還和輸入轉子繞組的電流頻率有關，具有將轉子的機械旋轉頻率和轉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“合頻”特性，在圖1兩臺電機組合發電中，發電機2定子繞組輸出的電流頻率、發電機1定子繞組輸出的電流頻率和電機轉子的機械旋轉頻率應符合如下關系[3]：

f1= P1×fn1

ft= P2×fn2 + P1×fn1 (1)

式中：ft——發電機2定子繞組輸出的電流頻率，與電網頻率相同;

P2——發電機2的極對數;

fn2——發電機2的轉子機械旋轉頻率;

P1——發電機1的極對數;

fn1——發電機1的轉子機械旋轉頻率。

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

由式(1)知，增加電機極對數，可降低機械旋轉頻率，相應降低轉子及齒輪轉速，改善潤滑條件，減少維護費用。[4]小功率的發電機1的額定功率約為發電機2額定功率的1/4，其電機極對數一般可以變化。當風速較小時，變速機只帶動發電機1工作，發電機2脫開與變速機的連接停止工作，發電機1發出的電流經控制系統切換，直接輸到電網或其他電路，由此提高了發電機發電效率，延長了大功率發電機2的壽命;當風速較大(風機輸入功率較大)時，2臺發電機經變速機帶動都發電工作，且發電機1發出的電流經控制系統輸入到發電機2的轉子繞組電路進行“合頻”，結合變速機機械變速、改變電機極對數等方法，使風力發電裝置輸出的電流頻率仍保持電網頻率。

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

二 四級變速風力發電實例

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

由表1可知(不考慮電機滑差率)，在風速11m/s及8.25m/s處，2個發電機利用“合頻”特性聯合發電，發電機2的輸出接入發電機1的轉子電路。在具體應用中，當風速為7及以下時可用第1種方式，即發電機2(6極)單獨發電;當風速為7上到9.5時可用第2種方式，即發電機2(2極)與發電機1(4極)聯合發電;當風速為9.5以上到13時可用第3種方式，即發電機2(2極)與發電機1(2極)聯合發電;當風速為13以上時可用第4種方式，即發電機2(2極)及發電機1(4極)單獨發電。

三 結論

四級變速風力發電技術利用改變發電機極對數及大小2個發電機的相互配合，達到在4個風速點都能實現風能最大利用，根據統計如果變速恒頻風力發電在整個工作風速范圍內風能利用量為1個單位，則四級變速風力發電風能利用量能達到80%左右，恒速恒頻風力發電風能利用量約為40%。

而且與傳統發電技術比還有其他優點，相比恒速恒頻發電機系統的增速箱，多級變速風力發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;由于風速不大、風機輸入功率較小時，只有小功率發電機2起發電作用，不存在“大功率發小電”現象，提高了發電機的效率，延長了大功率發電機1的壽命。

參考文獻：

[1]倪受元，風力發電講座(第三講)風力發電用的發電機及其機構[J].太陽能，2000(4):12-17。

[2]陳忠維，胡曉珍，徐獻忠，顧平燦，多級變速風力發電技術[J].可再生能源，2006(6):84-87。

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

[4]孫明倫，600 kW/125 kW風力發電機的優化設計[J].上海大中型電機，2003 (3):6-7。