風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展綜述

程啟明 程尹曼 王映斐 汪明媚

(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200090)

0 引言

在能源短缺和環(huán)境趨向惡化的今天，風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視，也越來(lái)越多地被應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電中。

風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的重要裝置，它們不僅直接關(guān)系到輸出電能的質(zhì)量和效率，也影響著整個(gè)風(fēng)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能和裝置結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。在過(guò)去的20年間，出現(xiàn)了多種風(fēng)力機(jī)、風(fēng)電系統(tǒng)控制技術(shù)、發(fā)電機(jī)及其風(fēng)電系統(tǒng)。

本文較全面地介紹和分析了當(dāng)前各種風(fēng)電系統(tǒng)控制技術(shù)、風(fēng)力機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)比較它們各自的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，展望了未來(lái)風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1 風(fēng)電系統(tǒng)的控制技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式可分為獨(dú)立型、并網(wǎng)型和聯(lián)合型3種。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力機(jī)控制器、風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)裝置、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、發(fā)動(dòng)機(jī)、變頻器和變壓器等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of grid connected wind power system

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)、變速傳動(dòng)裝置及相應(yīng)的控制器等，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能與電能的能量轉(zhuǎn)換。風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的功率和速度控制是風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。

風(fēng)電機(jī)組中的風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，它由風(fēng)輪、迎風(fēng)裝置和塔架等組成。按結(jié)構(gòu)不同，風(fēng)力機(jī)可分為水平軸式和立軸式兩種;按功率調(diào)節(jié)方式不同，風(fēng)力機(jī)可分為定槳距失速、變槳距和主動(dòng)失速3種。

風(fēng)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)時(shí)必須輸出恒定頻率(一般為50Hz)的電能。按照發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，發(fā)電機(jī)可分為恒速和變速兩類(lèi)，其中變速需要通過(guò)變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。變頻器采用電力電子變流技術(shù)和控制技術(shù)，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率變化交流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率相同、能與電網(wǎng)柔性連接的交流電，且能實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤控制。按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，變頻器可分為交-交型、交-直-交型和矩陣型3種;按照變頻器容量的不同，變頻器還可分為部分容量和全部容量(全額)兩種。

變速傳動(dòng)裝置可將低速的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為較高的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，按傳動(dòng)鏈類(lèi)型的不同，它可分為齒輪箱驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)兩種，其中前者包括多級(jí)和單級(jí)兩種齒輪箱驅(qū)動(dòng)。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其風(fēng)電系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)恒速或變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有多種方案，采用何種類(lèi)型的發(fā)電機(jī)主要取決于風(fēng)電系統(tǒng)的形式。

2.1 傳統(tǒng)的恒速/變速風(fēng)電系統(tǒng)

2.1.1 基于SCIG的恒速風(fēng)電系統(tǒng)

籠型異步發(fā)電機(jī)(squirrel cage induction generator，SCIG)是傳統(tǒng)風(fēng)電系統(tǒng)廣泛采用的發(fā)電機(jī)［1］。該系統(tǒng)采用多級(jí)齒輪箱驅(qū)動(dòng)的籠型異步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)定子側(cè)通過(guò)變壓器直接接入電網(wǎng)，基于SCIG的恒速風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。SCIG采用定槳距失速或主動(dòng)失速槳葉，它在高于同步轉(zhuǎn)速附近作恒速運(yùn)行。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，SCIG需要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，但這會(huì)降低電網(wǎng)功率因數(shù)，影響電壓的穩(wěn)定性，因此，一般需配備并聯(lián)補(bǔ)償電容器組以補(bǔ)償無(wú)功。

圖2 基于SCIG的恒速風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of constant speed wind power system based on SCIG

基于SCIG的恒速風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且堅(jiān)固，制造容易，成本低，可靠性高;并網(wǎng)容易，可直接從電網(wǎng)中獲得勵(lì)磁功率;常將高低速的兩臺(tái)SCIG組合使用或采用變極式雙速SCIG，以利用高低風(fēng)速的風(fēng)能資源，使系統(tǒng)穩(wěn)定性好、控制方便。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:轉(zhuǎn)速基本不可控，運(yùn)行范圍窄，風(fēng)能利用率低;只能實(shí)現(xiàn)兩種有級(jí)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)成本高;安裝有多級(jí)齒輪箱，增加了系統(tǒng)重量、維護(hù)量和噪聲，降低了系統(tǒng)效率;勵(lì)磁電流來(lái)自定子繞組，無(wú)法對(duì)輸出電壓進(jìn)行有效控制;需并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，以提高功率因數(shù);風(fēng)速變化使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，這會(huì)使軸承、齒輪箱承受巨大的機(jī)械摩擦和疲勞應(yīng)力。該系統(tǒng)在風(fēng)電發(fā)展初期得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1.2 基于WRIG的受限變速風(fēng)電系統(tǒng)

基于WRIG的受限變速風(fēng)電系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子電阻可變的繞線(xiàn)式異步發(fā)電機(jī)(wound rotor induction generator，WRIG)［2］，定子側(cè)直接接入電網(wǎng)，而轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)變流器件或普通異步發(fā)電機(jī)通過(guò)滑環(huán)外接可變電阻來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)子回路電阻，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，實(shí)現(xiàn)有限變速運(yùn)行?；赪RIG的受限變速風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于WRIG的受限變速風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of limited variable speed wind power system based on WRIG

基于WRIG的受限變速風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:電機(jī)廉價(jià)、壽命較長(zhǎng)、控制簡(jiǎn)單;采用變槳距調(diào)節(jié)及轉(zhuǎn)子電流控制，提高動(dòng)態(tài)性能，維持輸出功率穩(wěn)定，減小陣風(fēng)擾動(dòng)影響;功率器件和電阻都安裝在轉(zhuǎn)子內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化結(jié)構(gòu);采用串級(jí)調(diào)速，效率較高，裝置容量與調(diào)速范圍成正比，成本低。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:在啟動(dòng)或改變電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大浪涌電流，給電網(wǎng)帶來(lái)沖擊，仍需無(wú)功補(bǔ)償和軟啟動(dòng)技術(shù);外接電阻消耗能量，降低電機(jī)效率，還存在散熱問(wèn)題;一般需增加滑環(huán)和電刷來(lái)改變外接電阻，這就增加了故障發(fā)生概率;為獲得較寬變速范圍，電機(jī)機(jī)械特性被設(shè)計(jì)得較軟，即在額定電壓下，負(fù)載改變時(shí)轉(zhuǎn)速變化較大，電機(jī)效率較低。該系統(tǒng)在風(fēng)電系統(tǒng)中有所應(yīng)用，但目前逐漸被鼠籠式+變頻器等發(fā)電方式所淘汰。

2.1.3 基于ESC-SCIG的變速風(fēng)電系統(tǒng)

電磁轉(zhuǎn)差離合器(electromagnetic slip clutch，ESC)也稱(chēng)滑差電機(jī)，它的基本部件是電樞與磁極，這兩者之間無(wú)機(jī)械聯(lián)系，各自可以自由旋轉(zhuǎn)。ESC被加在齒輪箱與SCIG之間，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)改變輸出轉(zhuǎn)矩，使主從動(dòng)軸間產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，使得發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變。該風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示［3］。

圖4 基于ESC-SCIG的變速風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of variable speed wind power system based on ESC-SCIG

基于ESC-SCIG的變速風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:通過(guò)速度負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，無(wú)失控區(qū);結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、價(jià)格低;控制簡(jiǎn)單，啟動(dòng)力矩大且平滑，輸出電壓波形好;控制功率小，便于自控、群控和集控。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:故障率高、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、噪聲較大、調(diào)速范圍小;低速時(shí)效率低、特性軟，需加反饋用以提高特性硬度;存在轉(zhuǎn)差損耗，部分風(fēng)能消耗在ESC發(fā)熱上，降低了效率。該系統(tǒng)可應(yīng)用于小功率風(fēng)電系統(tǒng)，但因損耗大、效率低，現(xiàn)已很少使用。

2.1.4 基于MMG的變速風(fēng)電系統(tǒng)

該系統(tǒng)由磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)(magnet modulated generator，MMG)和功率轉(zhuǎn)換電路等組成［4］，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)具有較高的旋轉(zhuǎn)頻率fr。MMG采用電網(wǎng)頻率為fm(一般為50Hz)的低頻交流電勵(lì)磁。電樞繞組的輸出電壓是由頻率為(fr+fm)和(fr－fm)的兩個(gè)分量組成的調(diào)幅波。經(jīng)過(guò)并聯(lián)橋式整流器整流，可控硅開(kāi)關(guān)電路將波形的一半反向，再通過(guò)濾波器濾波，即得到與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)、頻率為fm的單相恒頻正弦波輸出。系統(tǒng)輸出電壓的頻率和相位取決于勵(lì)磁電流的頻率和相位。

圖5 基于MMG的變速風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of variable speed wind power system based on MMG

基于MMG的變速風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:可直接用電網(wǎng)電流勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)的輸出自動(dòng)與電網(wǎng)同步，不存在失步問(wèn)題，系統(tǒng)控制穩(wěn)定且簡(jiǎn)單可靠;可使風(fēng)力機(jī)在很大的風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳效率運(yùn)行，風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率高;簡(jiǎn)化了風(fēng)力機(jī)的調(diào)速機(jī)構(gòu)，只需采取適當(dāng)?shù)南匏俅胧肄D(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，降低了風(fēng)力機(jī)造價(jià);可得到諧波含量少的正弦波形輸出。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:為了得到三相輸出，需采用三套MMG發(fā)電系統(tǒng);發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，而風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，這對(duì)變速齒輪箱的要求較高;變流裝置在定子電路中，容量需求較大。該系統(tǒng)可應(yīng)用于容量為數(shù)十千瓦到數(shù)百千瓦的中小型風(fēng)電系統(tǒng)。

2.2 現(xiàn)代變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)

現(xiàn)代風(fēng)電系統(tǒng)一般采用變速恒頻技術(shù)，該技術(shù)可通過(guò)變流裝置或改造發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 基于SCIG的風(fēng)電系統(tǒng)

基于SCIG的風(fēng)電系統(tǒng)通過(guò)位于定子繞組回路的交-直-交全額變頻器，將SCIG發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能［5］?；赟CIG的變速風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 基于SCIG的變速風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of variable speed wind power system based on SCIG

基于SCIG的風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行，控制靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠;價(jià)格便宜、制造方便、技術(shù)成熟;風(fēng)速較大時(shí)效率較高;實(shí)現(xiàn)了軟并網(wǎng)，并網(wǎng)時(shí)無(wú)電流沖擊;若變頻器采用靜態(tài)自勵(lì)式逆變器，可調(diào)節(jié)無(wú)功功率。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:由于變頻器在定子側(cè)，變頻器容量需與發(fā)電機(jī)容量相同，系統(tǒng)的成本、重量和損耗較高，系統(tǒng)效率較低;轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍比窄;需配置龐大的變速齒輪箱，加大了噪聲和故障率;需從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，且需配備無(wú)功補(bǔ)償裝置，電壓和功率因數(shù)較難控制。該系統(tǒng)適合于中小容量風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

2.2.2 基于DFIG的風(fēng)電系統(tǒng)

基于雙饋式異步發(fā)電機(jī)(doubly fed induction generator，DFIG)的變速風(fēng)電系統(tǒng)如圖 7 所示［6］。風(fēng)力機(jī)采用變槳距調(diào)節(jié)，雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用繞線(xiàn)式結(jié)構(gòu)，定子側(cè)直接接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)雙向變頻器連接到電網(wǎng)，可對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行交流勵(lì)磁;通過(guò)控制轉(zhuǎn)差頻率，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的雙饋調(diào)速。該系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的頻率、相位和功率來(lái)調(diào)節(jié)定子側(cè)輸出功率，使之與風(fēng)力輸出功率相匹配，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)附近。

圖7 基于DFIG的變速風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of variable speed wind power system based on DFIG

基于DFIG的風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器容量?jī)H為發(fā)電機(jī)容量的30%左右，大大降低了變換器的損耗、造價(jià)和體積;轉(zhuǎn)子能量沒(méi)有被消耗掉，轉(zhuǎn)子繞組端口的功率根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng);電網(wǎng)側(cè)及直流側(cè)濾波電感、電容功率減小，電磁干擾降低;電網(wǎng)側(cè)變換器可提供無(wú)功補(bǔ)償，便于實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，平滑并網(wǎng)電流;變頻控制靈活，調(diào)節(jié)特性良好;具有良好的動(dòng)態(tài)和暫態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的解耦控制。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:存在齒輪箱、滑環(huán)、電刷和雙繞組，容易產(chǎn)生摩擦損耗，增加了維護(hù)量、噪聲和成本，降低了可靠性;調(diào)速范圍較小，一般只能在70% ～130%的額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié);需要采用雙向變頻器，控制回路多、控制較復(fù)雜、維護(hù)成本高;要求變頻器具有低電壓穿越等并網(wǎng)運(yùn)行能力，控制復(fù)雜、投入大。目前，大多數(shù)變速風(fēng)電系統(tǒng)都采用這種方式，如 Vestas、Gamesa、Repower、GE 等很多公司都有此類(lèi)產(chǎn)品，其容量已達(dá)6 MW以上。

2.2.3 基于直驅(qū)式EESG的風(fēng)電系統(tǒng)

由于風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速較慢，而發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較快，兩者之間一般需通過(guò)變速齒輪箱連接。但是，齒輪箱易磨損，油路易老化。而直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)省去了齒輪箱，兩者的轉(zhuǎn)子同軸直接相連，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈，提高了效率和可靠性，降低了維護(hù)量和噪聲。由于異步發(fā)電機(jī)(induction generator，IG)會(huì)產(chǎn)生滯后的功率因數(shù)且需要進(jìn)行補(bǔ)償，而同步發(fā)電機(jī)(synchronous generator，SG)可以控制勵(lì)磁來(lái)調(diào)節(jié)其功率因數(shù)為1;且IG要通過(guò)增加轉(zhuǎn)差率才能提高轉(zhuǎn)矩，而SG只要加大功角就能增大轉(zhuǎn)矩，調(diào)速范圍更寬，承受轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)能力更強(qiáng)，響應(yīng)更快。因此，SG正逐步取代IG。直驅(qū)式SG可分為電激磁SG和永磁SG兩大類(lèi)。

基于電激磁同步發(fā)電機(jī)(electrically excited synchronous generator，EESG)的風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示［7］。變換器與發(fā)電機(jī)定子相連，定子側(cè)的繞組結(jié)構(gòu)和IG類(lèi)似，一般采用轉(zhuǎn)子側(cè)直流激磁方式。電壓源型逆變器的直流側(cè)提供轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流，通過(guò)控制轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器，可以調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小。轉(zhuǎn)子可用凸極或隱極結(jié)構(gòu)，凸極結(jié)構(gòu)常用于低速電機(jī)，較適用于直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組。通過(guò)控制定子側(cè)變頻器，可控制電壓的幅值和頻率，使得發(fā)電機(jī)在較寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行。

圖8 基于EESG的變速風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of variable speed wind power system based on EESG

基于直驅(qū)式EESG的風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:電機(jī)與風(fēng)機(jī)直接連接，省去了齒輪箱，提高了效率和可靠性;控制回路少、控制電路簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、維護(hù)成本低;并網(wǎng)電流平滑、噪聲低、電壓閃變小及功率因數(shù)高;無(wú)最大、最小速度限制，調(diào)速范圍寬;發(fā)電機(jī)不承受較高的電壓變化率，電磁兼容性好。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:需配備全功率變頻器，成本較高、損耗較大;電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，電磁轉(zhuǎn)矩較大，同時(shí)電機(jī)極對(duì)數(shù)較多，電機(jī)體積大、成本高;直流環(huán)節(jié)需要高壓、大容量的電容，其體積大、成本高;可采用直流或無(wú)刷勵(lì)磁方式，存在勵(lì)磁損耗。目前，該系統(tǒng)以制造商Enercon的產(chǎn)品為代表，單機(jī)容量已達(dá)4.5 MW。

2.2.4 基于直驅(qū)式PMSG的風(fēng)電系統(tǒng)

采用直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)(permenant magnet synchronous generator，PMSG)的風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與圖6類(lèi)似［8］。電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu)，無(wú)需外部勵(lì)磁電源，轉(zhuǎn)子與風(fēng)力機(jī)直接耦合相連，無(wú)需齒輪箱;定子通過(guò)變頻器與電網(wǎng)相連，變頻器將頻率變化的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻的交流電。PMSG可分為徑向式、軸向式和橫向式3種勵(lì)磁類(lèi)型。

基于直驅(qū)式PMSG的風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:發(fā)電機(jī)效率高，低電壓穿越能力強(qiáng)，控制魯棒性好;變速范圍不受限制，風(fēng)能利用率高;省去了齒輪箱，降低了成本和噪聲，提高了可靠性;無(wú)需外加勵(lì)磁裝置，減少了勵(lì)磁損耗，無(wú)需從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，改善了電網(wǎng)功率因數(shù);可采用多電平變換技術(shù)，將風(fēng)能直接饋入高壓電網(wǎng);無(wú)需換向裝置，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)無(wú)刷化，壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、安全可靠性好。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:需配備全功率變換器，成本高、體積大、損耗多;電機(jī)的轉(zhuǎn)速低、體積大、成本高;勵(lì)磁不能調(diào)節(jié)，輸出電壓波動(dòng)較大;定子繞組絕緣等級(jí)要求較高;永磁材料價(jià)格較高、機(jī)械加工困難、高溫或振動(dòng)下易失磁;永磁電機(jī)功率因數(shù)特性差，需由變頻器來(lái)補(bǔ)償。該系統(tǒng)是目前性能最優(yōu)、可靠性和性?xún)r(jià)比最高的風(fēng)力發(fā)電方式，GE、Harakosan、Enercon、WinWind 等多家公司已生產(chǎn)容量大于2 MW的該類(lèi)產(chǎn)品。

2.2.5 基于半直驅(qū)PMSG的風(fēng)電系統(tǒng)

直驅(qū)式PMSG風(fēng)電系統(tǒng)采用低速多極發(fā)電機(jī)，其體積大、成本高。半直驅(qū)型PMSG綜合了DFIG和直驅(qū)PMSG系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，它在風(fēng)力機(jī)和PMSG之間增加了單級(jí)齒輪箱。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與圖6類(lèi)似［9］，它采用PMSG作為發(fā)電機(jī)，但適當(dāng)增加了發(fā)電機(jī)的級(jí)數(shù);定子通過(guò)變頻器并網(wǎng)，使系統(tǒng)效率提高。

基于半直驅(qū)PMSG的風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:兼有直驅(qū)型和齒輪箱型兩者的優(yōu)點(diǎn)，與直驅(qū)式PMSG系統(tǒng)相比，其發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高、體積小、重量輕、集成度高;與DGIG系統(tǒng)相比，增速箱速比小、傳動(dòng)鏈簡(jiǎn)單、損耗小、故障率低、可靠性高;采用全功率變換器，平滑了并網(wǎng)電流，增強(qiáng)了電網(wǎng)故障穿越能力。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:由于齒輪箱的存在，還需定期維護(hù)。該系統(tǒng)可靠、經(jīng)濟(jì)。目前，Multibrid和WinWind等公司已生產(chǎn)這種類(lèi)型的機(jī)組。

2.2.6 基于PMBDCG的風(fēng)電系統(tǒng)

直流發(fā)電機(jī)(DC generator，DCG)的電壓波形平穩(wěn)，但換向裝置易損、故障率高、壽命短，且風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在高塔架上，維修不便。因此，DCG在風(fēng)電系統(tǒng)中很少使用。PMSG采用永磁體勵(lì)磁，無(wú)需外加勵(lì)磁裝置，無(wú)需換向裝置，效率高、壽命長(zhǎng)，但勵(lì)磁不能調(diào)節(jié)，輸出電壓波動(dòng)較大。永磁無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)(permenant magnet brushless DC generator，PMBDCG)采用永磁體轉(zhuǎn)子勵(lì)磁和外電樞式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將永磁同步發(fā)電機(jī)與二極管全橋整流電路合為一體。其電樞繞組是直流單波繞組，它采用二極管整流的電子換向器來(lái)取代電刷換向裝置，并將二極管與電樞繞組兩者合為一體。這種風(fēng)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖9所示［10］。

圖9 基于PMBDCG的變速風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure of variable speed wind power system based on PMBDCG

基于PMBDCG的風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:兼有DCG和PMSG的優(yōu)點(diǎn)，其電壓波形同DCG一樣平滑，且啟動(dòng)與調(diào)速性能良好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，無(wú)易磨損的換向裝置;采用永磁體勵(lì)磁，具有PMSG的無(wú)勵(lì)磁損耗、壽命長(zhǎng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但其電壓調(diào)整率低于PMSG;采用直驅(qū)技術(shù)，省去了齒輪箱，降低了噪聲，減小了維護(hù)量。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:啟動(dòng)時(shí)直流電壓直接加在電機(jī)繞組上，瞬間電流和沖擊力矩很大;當(dāng)繞組內(nèi)部短路時(shí)，因采用永磁體的勵(lì)磁，不能用切斷勵(lì)磁解決，還需配置相應(yīng)機(jī)構(gòu)使風(fēng)機(jī)與電機(jī)可靠脫離。該系統(tǒng)只適合用于小型風(fēng)電系統(tǒng)，實(shí)際使用不多。

2.3 新型變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)

近年來(lái)，一些具有商業(yè)化潛力的新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。典型系統(tǒng)介紹如下。

2.3.1 基于SRG的風(fēng)電系統(tǒng)

采用開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)(switched reluctance generator，SRG)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示［11］。SRG為雙凸極電機(jī)，定子、轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，定子上設(shè)有集中繞組，轉(zhuǎn)子上既無(wú)繞組也無(wú)永磁體;SRG無(wú)獨(dú)立的勵(lì)磁繞組，與集中嵌放的定子電樞合并，通過(guò)控制器分時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁與發(fā)電。定子接驅(qū)動(dòng)器將電能輸出到直流側(cè)，再通過(guò)逆變器將能量饋入電網(wǎng)。

圖10 基于SRG的變速風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Structure of variable speed wind power system based on SRG

基于SRG的風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)堅(jiān)固且簡(jiǎn)單、能量密度高、成本低、可靠性和效率高、調(diào)速范圍寬、控制靈活、過(guò)載能力強(qiáng)、無(wú)去磁效應(yīng);發(fā)電機(jī)相繞間無(wú)電磁耦合，容錯(cuò)能力很強(qiáng);并網(wǎng)時(shí)無(wú)電流沖擊;可調(diào)節(jié)無(wú)功功率;轉(zhuǎn)子無(wú)繞組和永磁體，轉(zhuǎn)子對(duì)溫度不敏感，高溫和高速下運(yùn)行性能優(yōu)良;啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，低速性能好;直驅(qū)式連接，無(wú)齒輪箱。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:需配置全額逆變器和驅(qū)動(dòng)器，成本高、體積大、損耗多;電機(jī)存在非線(xiàn)性、多可控參數(shù)，數(shù)學(xué)模型不明確，優(yōu)化控制較難;逆變器控制以轉(zhuǎn)子位置反饋為基礎(chǔ)，控制較復(fù)雜;電動(dòng)和發(fā)電時(shí)均需功率變換器工作，使發(fā)電可靠性降低;定子與轉(zhuǎn)子極數(shù)的不同會(huì)產(chǎn)生電機(jī)力矩的脈動(dòng)，機(jī)械特性較硬。該系統(tǒng)一般應(yīng)用于30 kW以下的低速小型風(fēng)電系統(tǒng)中，目前，它還沒(méi)得到廣泛的應(yīng)用，但發(fā)展?jié)摿^大。

2.3.2 基于BDFIG的風(fēng)電系統(tǒng)

無(wú)刷雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(brushless doubly fed induction generator，BDFIG)省去了電刷和滑環(huán)，定子有兩套極數(shù)不同的繞組，其中功率繞組直接接電網(wǎng)，控制繞組則通過(guò)雙向功率變換器接電網(wǎng)。其轉(zhuǎn)子采用籠型或磁阻式結(jié)構(gòu)，無(wú)需電刷和滑環(huán)，轉(zhuǎn)子極數(shù)應(yīng)為定子兩個(gè)繞組極對(duì)數(shù)之和。定子的功率繞組和控制繞組的作用分別相當(dāng)于DFIG的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，通過(guò)功率變換器改變輸入到控制繞組的電流頻率，可使發(fā)電機(jī)的輸出頻率保持恒定。其風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖11所示［12］。

圖11 基于BDFIG的變速風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Structure of variable speed wind power system based on BDFIG

基于BDFIG的風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:采用無(wú)刷結(jié)構(gòu)，省去了碳刷和滑環(huán)，降低了成本，提高了可靠性和可維護(hù)性;變頻器容量?jī)H為發(fā)電機(jī)額定容量的一部分，可實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立控制，對(duì)電網(wǎng)具有無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?可在不同的風(fēng)速下運(yùn)行，其轉(zhuǎn)速可隨風(fēng)速的變化做相應(yīng)的調(diào)制，使風(fēng)力機(jī)處于最佳工況，提高機(jī)組的效率。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:需要將兩臺(tái)繞線(xiàn)式異步電機(jī)同軸相聯(lián)，或在一臺(tái)普通無(wú)刷雙饋電機(jī)的定子上裝設(shè)兩套極對(duì)數(shù)不同的繞組，電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)難度較大;電機(jī)損耗比同容量的感應(yīng)電機(jī)大，電機(jī)效率降低70%左右。目前，該系統(tǒng)仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，尚未全面進(jìn)入工程實(shí)用，但它將會(huì)廣泛應(yīng)用于中大容量的風(fēng)電系統(tǒng)中。

2.3.3 基于CPG的風(fēng)電系統(tǒng)

基于爪極式發(fā)電機(jī)(claw pole generator，CPG)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12所示［13］，它與一般同步電機(jī)的區(qū)別僅在于勵(lì)磁系統(tǒng)部分。爪極發(fā)電機(jī)的磁路系統(tǒng)是一種并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)，所有各對(duì)極的磁勢(shì)均來(lái)自一套共同的勵(lì)磁繞組。系統(tǒng)通過(guò)變頻器把爪極發(fā)電機(jī)發(fā)出的高頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl交流電，從而實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制。

圖12 基于CPG的變速風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Structure of variable speed wind power system based on CPG

基于CPG的風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:勵(lì)磁繞組的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用料較省、勵(lì)磁功率較小、效率更高;無(wú)刷結(jié)構(gòu)，易維護(hù);發(fā)電機(jī)除了機(jī)械摩擦力矩外，基本無(wú)啟動(dòng)阻力矩;通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁可方便地控制其輸出特性，使風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)最佳葉尖速比運(yùn)行，運(yùn)行效率高。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:交-直-交變頻器控制電路復(fù)雜，可考慮采用背靠背的四象限變流器;爪極法蘭盤(pán)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造困難、費(fèi)時(shí);當(dāng)發(fā)電機(jī)速度較高或容量較大時(shí)，爪極的離心力很大，爪子可能向外彎曲甚至斷裂;爪極和法蘭盤(pán)的體積較大，電機(jī)重量增加。該系統(tǒng)適用于千瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電裝置，但實(shí)際應(yīng)用并不多。

2.3.4 基于HVG的風(fēng)電系統(tǒng)

一般發(fā)電機(jī)電壓等級(jí)為690 V或960 V，兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電流很大，電線(xiàn)安裝和運(yùn)行成本很高。隨著高壓直流遠(yuǎn)程輸電技術(shù)以及海上、沙漠、大草原等風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)需與高壓直流輸電網(wǎng)直接并網(wǎng)。選擇高壓直流輸電方式的原因是由于高壓能減小輸線(xiàn)電纜的截面積，降低成本，而直流能使交流需要的3根輸電線(xiàn)減少為2根。高壓發(fā)電機(jī)(high voltage generator，HVG)的定子繞組采用高壓電纜繞制，其輸出電壓可達(dá)10～40 kV，高壓發(fā)電機(jī)的輸出端經(jīng)過(guò)整流裝置變換為高壓直流電輸出，并接到直流母線(xiàn)上實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，再將直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，輸送到地方電網(wǎng)?；贖VG的風(fēng)電場(chǎng)電氣連接如圖13所示［14］。

圖13 基于HVG的風(fēng)電場(chǎng)電氣連接圖Fig.13 The electrical connections of wind farms based on HVG

基于HVG的風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:省去了并網(wǎng)所需的升壓變壓器，免除了變壓器損耗，提高了發(fā)電效率，只有當(dāng)需要向遠(yuǎn)方電網(wǎng)送電時(shí)，才啟用升壓變壓器;在直流母線(xiàn)上簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了各機(jī)組的并行運(yùn)行，且能同步控制它們的轉(zhuǎn)速;采用不可控整流，技術(shù)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、損耗少;分散式整流使各發(fā)電機(jī)在通過(guò)直流母線(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生了一種“電氣隔離”，相互間不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流;采用直驅(qū)式永磁體結(jié)構(gòu)，省去了勵(lì)磁裝置和齒輪箱，提高了效率和可靠性;全功率變換器采用IGCT器件實(shí)現(xiàn)，IGCT比IGBT耐壓高、電流大、功率器件少、轉(zhuǎn)換效率高;高壓直流可降低電纜成本，減少控制器件并聯(lián)數(shù)目，減小功率變換器體積。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:使用了大量的永磁材料，對(duì)永磁材料的性能穩(wěn)定性要求高;在防止電網(wǎng)解列、高壓放電故障等方面的風(fēng)險(xiǎn)投資更大，可靠性要求更高;高壓對(duì)電氣材料的絕緣要求提高;功率變換器采用IGCT器件實(shí)現(xiàn)，成本較高。由于海上、沙漠和草原深處架設(shè)輸電線(xiàn)路較困難且距離較長(zhǎng)，選用高壓直流輸電方式的高壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)很合適。目前，ABB等公司已生產(chǎn)了3～5 MW高壓SG，其輸出電壓為1.2 ～3.0 kV。

2.3.5 基于DWIG的風(fēng)電系統(tǒng)

基于DWIG的風(fēng)電系統(tǒng)采用定子雙繞組異步發(fā)電機(jī)(dual-stator winding induction generator，DWIG)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為普通籠型結(jié)構(gòu)，堅(jiān)固可靠，且無(wú)電刷，但定子具有兩套繞組，其中一套為功率繞組，輸出端通常接有整流橋負(fù)載，可輸出直流或變頻交流電，發(fā)電機(jī)的主要輸出功率由這套繞組承擔(dān);另一套為控制繞組，接有靜止的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，由變換器提供所需的無(wú)功電流，采用一定的控制策略，可調(diào)節(jié)電機(jī)的磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行。它與BDFIG的主要區(qū)別在于:BDFIG的兩套定子繞組極數(shù)不同，而DWIG的兩套定子繞組的極數(shù)相同，它們的工作原理不同。由于兩套繞組的極對(duì)數(shù)相同，因此其工作頻率相同，無(wú)電氣連接，僅有磁場(chǎng)耦合。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖14 所示［15］。

基于DWIG的風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:兩套定子繞組僅有磁耦合，減小了高頻諧波對(duì)功率繞組的影響，提高了電磁兼容性和可靠性;定子兩回路無(wú)電氣連接，便于實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠性的控制;控制繞組的漏感對(duì)于調(diào)節(jié)器輸出有一定的濾波作用，勵(lì)磁變換器輸出端不需濾波電感;允許轉(zhuǎn)速和負(fù)載在較寬的范圍內(nèi)變化;轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為鼠籠型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固可靠;無(wú)電刷和滑環(huán)，維護(hù)方便;采用自勵(lì)電容器與變換器共同激磁對(duì)電機(jī)進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)，保持輸出電壓穩(wěn)定，在轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化不大的情況下，電容器能提供大部分的勵(lì)磁無(wú)功，變換器僅提供電機(jī)無(wú)功電流的補(bǔ)償部分，其容量和體積可減小。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:在變速、變負(fù)載時(shí)自勵(lì)電容的容抗變化大，為使系統(tǒng)輸出恒壓恒頻的交流電，變換器除了擔(dān)負(fù)更大的無(wú)功容量調(diào)節(jié)外，還會(huì)通過(guò)部分有功功率，這會(huì)增大其容量和體積;電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度大，實(shí)現(xiàn)成本高。目前，該系統(tǒng)尚未成熟，可應(yīng)用于中小功率和轉(zhuǎn)速變化不大的風(fēng)電系統(tǒng)。

2.3.6 基于TFPMG的風(fēng)電系統(tǒng)

橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)(tansverse flux permanent magnet generator，TFPMG)是一種新型 PMSG［16］，它與常規(guī)發(fā)電機(jī)的不同之處體現(xiàn)在磁通回路。常規(guī)發(fā)電機(jī)的磁路方向一般沿轉(zhuǎn)子的半徑方向，而磁通發(fā)電機(jī)在橫向的磁路方向?yàn)檗D(zhuǎn)子的軸向方向。

基于TFPMG的風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:定子各相間無(wú)耦合，可獨(dú)立分析與控制，便于設(shè)計(jì)為多相結(jié)構(gòu)，控制特性良好;電機(jī)的很多參數(shù)互相獨(dú)立，可以任意選擇，可根據(jù)需要調(diào)整磁路尺寸，選擇線(xiàn)圈的規(guī)格和匝數(shù);轉(zhuǎn)矩密度大、效率高、體積和重量小;可采用無(wú)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的直接聯(lián)接。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝性差，制造困難，控制不易;功率因數(shù)較低，造成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容量增大，成本增加;電機(jī)的一些參數(shù)間相互制約，電機(jī)的尺寸對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度、漏磁系數(shù)影響很大。該系統(tǒng)可應(yīng)用于容量小于30 kW的小型風(fēng)電機(jī)，但還不是很成熟。

2.3.7 基于DSPMG的風(fēng)電系統(tǒng)

雙凸極永磁發(fā)電機(jī)(doubly salient permanent magnet generator，DSPMG)是一種將SRG的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)與高性能永磁材料相結(jié)合的新型發(fā)電機(jī)［17］。這種發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子均為凸極齒槽結(jié)構(gòu)，定子齒上安放集中式繞組，繞組端部短、用料量少、損耗小。永磁體被置于定子軛部，具有獨(dú)特的聚磁效應(yīng)，使激勵(lì)磁場(chǎng)受定子極弧面尺寸限制較少。使用時(shí)，只需增加凸極數(shù)量，就可滿(mǎn)足風(fēng)電直驅(qū)的需要。

基于DSPMG的風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:保留了SRG結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、功率密度高、效率高的優(yōu)點(diǎn);轉(zhuǎn)子為純鐵心結(jié)構(gòu)，無(wú)繞組和永磁體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、可靠性高;可單拍或雙拍運(yùn)行，控制參數(shù)多;由于定子具有永磁體，繞組電感小，電流換向容易，動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好;采用永磁材料勵(lì)磁，能量轉(zhuǎn)換率高，損耗低;采用直接驅(qū)動(dòng)方式，無(wú)需齒輪箱;電機(jī)和功率變換電路各相獨(dú)立，容錯(cuò)性能好;利用了可產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)區(qū)，功率密度較高。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:由于電感值較小，低速運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)斬波頻率高，逆變功率模塊開(kāi)關(guān)損耗大;由于電樞電流不規(guī)則，電流變化率、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及轉(zhuǎn)速波動(dòng)、振動(dòng)、噪聲均較大。該系統(tǒng)是2008年江蘇火電電力設(shè)備制造有限公司申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利項(xiàng)目，可應(yīng)用于中小型風(fēng)電系統(tǒng)，目前，它的實(shí)際使用還不多。

2.3.8 基于EVT的風(fēng)電系統(tǒng)

電氣無(wú)級(jí)變速器(electric continuously variable transmission，EVT)具有外部永磁體轉(zhuǎn)子、內(nèi)部繞線(xiàn)式轉(zhuǎn)子和1個(gè)定子［18］。EVT具有2個(gè)機(jī)械端口和2個(gè)電氣端口，它的外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子分別與風(fēng)力機(jī)、同步發(fā)電機(jī)相連，定子繞組和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組都通過(guò)功率變換器連接到直流母線(xiàn)上。EVT可接收任何風(fēng)速輸入，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不隨風(fēng)速變化，實(shí)現(xiàn)變速恒頻的功能。

基于EVT的風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:省去了機(jī)械齒輪箱和并網(wǎng)功率變換器，減小了功率損耗和諧波污染，無(wú)功調(diào)節(jié)更加便捷;相比機(jī)械無(wú)級(jí)傳動(dòng)，EVT傳動(dòng)可靠性高，經(jīng)久耐用。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:EVT內(nèi)外電機(jī)的功率必須與風(fēng)機(jī)功率相匹配，整流器、逆變器以及電池的容量也必須和風(fēng)機(jī)功率相匹配;變換器價(jià)格昂貴。該系統(tǒng)是2008年?yáng)|南大學(xué)申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利項(xiàng)目，可應(yīng)用于小型風(fēng)電系統(tǒng)，目前已授權(quán)幾家公司少量生產(chǎn)。

2.3.9 基于APMSG的風(fēng)電系統(tǒng)

全永磁懸浮發(fā)電機(jī)(all permanent magnetic suspension generator，APMSG)由原動(dòng)力傳送裝置、磁力傳動(dòng)調(diào)速裝置、磁輪和永磁發(fā)電機(jī)等組成。

基于APMSG的風(fēng)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:輕風(fēng)啟動(dòng)，微風(fēng)發(fā)電，啟動(dòng)風(fēng)速為1.5 m/s，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)風(fēng)速3.5 m/s;通過(guò)采用磁力傳動(dòng)技術(shù)和磁懸浮技術(shù)，可克服永磁發(fā)電機(jī)輸出特性偏軟的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:技術(shù)還不是很成熟，還有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究并加以解決。低風(fēng)速啟動(dòng)技術(shù)可增加風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電時(shí)間。該系統(tǒng)被應(yīng)用于開(kāi)發(fā)廣大地區(qū)的低風(fēng)速資源。

3 風(fēng)電系統(tǒng)的選型及發(fā)展趨勢(shì)

每種風(fēng)電系統(tǒng)都有各自的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合，不同風(fēng)電系統(tǒng)的性能比較需要考慮的因素有很多，包括轉(zhuǎn)矩密度、成本、效率、材料、重量、風(fēng)能質(zhì)量和發(fā)電量等，完全定量比較非常困難。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)它們的特點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展等作合理選擇。目前，大型風(fēng)電技術(shù)中，主流技術(shù)和首選方案是采用交流勵(lì)磁雙饋型變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)，而中小型機(jī)組可以選用交-直-交型的風(fēng)電系統(tǒng)［19－22］。

為提高風(fēng)力發(fā)電效率、降低成本、改善電能質(zhì)量、減少噪聲、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，風(fēng)電技術(shù)正朝著大容量、低成本、高效率、長(zhǎng)壽命、變轉(zhuǎn)速、直驅(qū)化、無(wú)刷化、智能化以及微風(fēng)發(fā)電等方向發(fā)展。風(fēng)電系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)為:①風(fēng)電機(jī)組型由定槳矩失速型向變槳矩和變速恒頻型發(fā)展;②電機(jī)饋型由單饋型向雙饋型發(fā)展;③傳動(dòng)技術(shù)由有齒輪箱向無(wú)齒輪箱(直驅(qū)型、半直驅(qū)型)發(fā)展;④電機(jī)電刷由有刷型向無(wú)刷型發(fā)展;⑤勵(lì)磁方式由電勵(lì)磁向永磁方向發(fā)展;⑥新型電機(jī)在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用由少品種向多品種發(fā)展;⑦單機(jī)容量由小向大發(fā)展;⑧電機(jī)品種由單一型向大、中、小型風(fēng)機(jī)系統(tǒng)并列發(fā)展;⑨運(yùn)行方式由獨(dú)立運(yùn)行向并網(wǎng)大型化與離網(wǎng)分散化互補(bǔ)運(yùn)行發(fā)展;⑩風(fēng)電成本由高向低發(fā)展;?風(fēng)電選址由陸上風(fēng)電向海上風(fēng)電發(fā)展;?電機(jī)結(jié)構(gòu)向緊湊、柔性、輕盈化發(fā)展;?電機(jī)材料由普通永磁式向全永磁懸浮式發(fā)展;?電機(jī)控制算法由傳統(tǒng)控制向智能控制發(fā)展;?風(fēng)電機(jī)組的聯(lián)網(wǎng)方式由有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)向無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

作為一種開(kāi)發(fā)成本低、清潔、安全、可再生的能源形式，風(fēng)能越來(lái)越受到人們的重視。本文綜述了國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展概況，分析對(duì)比了風(fēng)電系統(tǒng)的控制技術(shù)、風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)及其風(fēng)電系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和適用范圍;同時(shí)指出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展方向，可供選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和研發(fā)新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)時(shí)參考。這對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的選擇與研究具有一定參考指導(dǎo)價(jià)值。

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