變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用探索

田琪

（江西大唐新能源有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模擴(kuò)大，可供人類(lèi)使用的能源日益減少，能源呈現(xiàn)出短缺緊張的現(xiàn)象。所以借助先進(jìn)的技術(shù)開(kāi)發(fā)清潔能源、綠色能源、高效能源成為重點(diǎn)。在能源開(kāi)發(fā)過(guò)程中，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可在一定程度上降低研發(fā)成本，提高風(fēng)力發(fā)電的效率及電能質(zhì)量，研究?jī)r(jià)值極為突出。

1 風(fēng)力發(fā)電及變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

1.1 風(fēng)力發(fā)電概述

風(fēng)力發(fā)電體現(xiàn)了人類(lèi)對(duì)自然資源的充分利用。風(fēng)力發(fā)的主體技術(shù)是通過(guò)對(duì)風(fēng)壓的利用，帶動(dòng)風(fēng)車(chē)葉片不斷旋轉(zhuǎn)，以風(fēng)車(chē)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械帶動(dòng)相應(yīng)的發(fā)電機(jī)組，最終將風(fēng)能化為電能。雖然各國(guó)對(duì)風(fēng)能源都有不同程度的開(kāi)發(fā)，但無(wú)論是在國(guó)外還是在國(guó)內(nèi)，在風(fēng)能源的利用上均處于初級(jí)階段[1]。從某種角度而言，較強(qiáng)的自然風(fēng)對(duì)人們的日常生活有積極與消極兩方面影響。積極影響體現(xiàn)為，其能夠轉(zhuǎn)化成電能，為人們的生產(chǎn)與生活提供助力。消極影響體現(xiàn)為，可能會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞。因此，使用技術(shù)合理開(kāi)發(fā)風(fēng)能，并不斷提升風(fēng)能利用效率，不僅填補(bǔ)能源缺口，也能從側(cè)面降低強(qiáng)風(fēng)對(duì)生產(chǎn)與生活造成的危害。

1.2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

變速恒頻是常見(jiàn)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)速變化有密切的關(guān)系，二者呈正相關(guān)[2]。在此基礎(chǔ)上，采用一定的控制手段就可以實(shí)現(xiàn)恒定的頻率。在風(fēng)速發(fā)生變化的情況下，風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行，將會(huì)充分提高對(duì)風(fēng)能的利用效率。目前，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于清潔能源領(lǐng)域中。根據(jù)對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的分析，總結(jié)該技術(shù)較常應(yīng)用的變速恒頻控制方案，體現(xiàn)為以下幾種類(lèi)型：

第一種類(lèi)型為籠型異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)，以籠型轉(zhuǎn)子為主，通過(guò)定子電路實(shí)現(xiàn)對(duì)變速恒頻的控制[3]。雖然此系統(tǒng)具備變速恒頻的優(yōu)勢(shì)，但因變頻器位于定子側(cè)面，所以變頻器容量需要等同于發(fā)電機(jī)容量，會(huì)增加系統(tǒng)的研發(fā)成本。

第二種類(lèi)型為永磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)與第一種類(lèi)型相類(lèi)似，但采用的發(fā)電機(jī)不同。由永磁式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子代替籠型轉(zhuǎn)子，以變頻器的方式，將永磁發(fā)電機(jī)交流電轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)同頻交流電[4]。此系統(tǒng)具有降低噪聲、可靠性較高的優(yōu)勢(shì)，不過(guò)因發(fā)電機(jī)體積偏大，其研發(fā)成本雖然有所降低，但整體上仍然偏高。

第三種類(lèi)型為交流勵(lì)磁雙饋型系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)，以轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)為主。由于此種系統(tǒng)中的變頻器，僅供給轉(zhuǎn)差功率即可，所以能夠極大程度上降低容量需求，可靈活地對(duì)有功、無(wú)功功率進(jìn)行控制。

2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重要性及其優(yōu)勢(shì)

2.1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的重要性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)，在發(fā)電工作中需要承擔(dān)相應(yīng)的負(fù)荷。從整體上來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電中的發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的地位比較顯著[5]。通常來(lái)說(shuō)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的機(jī)組容量若表現(xiàn)為不斷增加的趨勢(shì)，能夠從間接角度上說(shuō)明風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的配置可能存在些許問(wèn)題。在此種情況下，就需要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際情況應(yīng)用變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，能夠在一定程度上確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行，改善風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能高的同時(shí)，進(jìn)一步提高對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的利用水平。

2.2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)優(yōu)勢(shì)

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用具有突出性?xún)?yōu)勢(shì)。風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，應(yīng)用變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，能夠從最大功率角度上確保發(fā)電系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。不僅能在一定程度上增加風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，而且能提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率[6]。風(fēng)力機(jī)的使用壽命與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)同樣有著有密切的關(guān)系，應(yīng)用變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，能夠最大程度上降低風(fēng)力機(jī)的損壞發(fā)生率，使風(fēng)力機(jī)的壽命得以延長(zhǎng)，進(jìn)而達(dá)到降低運(yùn)行成本的目的。此外，借助變速恒頻技術(shù)，可充分降低噪音。同時(shí)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)電能的自動(dòng)化管理，又能進(jìn)一步提高電能質(zhì)量、工作效率，為風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)探究

3.1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的工作原理

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)的原理基礎(chǔ)，是對(duì)風(fēng)能的利用。依據(jù)自動(dòng)化、智能化的計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能利用效率的提高。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，是由風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)和輔助構(gòu)建共同構(gòu)成的[7]。風(fēng)力發(fā)電裝置運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)會(huì)共同發(fā)生作用，利用輔助構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種能源的處理。具體體現(xiàn)為，強(qiáng)勁的風(fēng)力會(huì)促進(jìn)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)，在風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)下產(chǎn)生大量的機(jī)械能。同時(shí)，輔助構(gòu)件齒輪箱會(huì)在風(fēng)扇的帶動(dòng)下開(kāi)始工作，并將機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能并傳輸?shù)诫娋W(wǎng)系統(tǒng)中。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電與定槳距風(fēng)力發(fā)電和機(jī)械轉(zhuǎn)矩風(fēng)力發(fā)電相比，調(diào)節(jié)的靈活性更強(qiáng)。一般來(lái)說(shuō)，自然界中的風(fēng)，始終以波動(dòng)形式存在。因此，為確保變速恒頻風(fēng)力發(fā)電能夠適應(yīng)自然風(fēng)，需要將自動(dòng)控制系統(tǒng)安裝到發(fā)電機(jī)上，以計(jì)算公式完成自動(dòng)調(diào)整達(dá)到自動(dòng)化目的，同時(shí)，減少工作人員數(shù)量。

3.2 直流與交流轉(zhuǎn)化技術(shù)

在系統(tǒng)運(yùn)行中，風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)裝置均會(huì)隨風(fēng)速的變化而發(fā)生改變。通常情況下，上述兩種裝置與風(fēng)速變化之間的關(guān)系會(huì)產(chǎn)生變速旋轉(zhuǎn)性作用，最終產(chǎn)生電功率。發(fā)電機(jī)裝置會(huì)產(chǎn)生交流電，利用整理器裝置將交流電電流能夠被轉(zhuǎn)化成直流電。同時(shí)，利用逆變器使直流電在有源逆變反應(yīng)下，形成新的交流電電源，此種交流電電源能夠適用于電網(wǎng)恒定頻率的變化。為保證直流與交流相互轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定性，不僅要明確發(fā)電機(jī)裝置都反應(yīng)容量，也要明確變頻器裝置的反應(yīng)容量，確保兩種容量具有一致性。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐中的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)為并網(wǎng)期間基本不會(huì)出現(xiàn)電流的沖擊力，且基本上不會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生影響。但考慮風(fēng)險(xiǎn)防控，針對(duì)頻率變化作業(yè)需要采用靜態(tài)的逆變器裝置。所以，即使可以調(diào)節(jié)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的無(wú)功功率，還是會(huì)有少部分的高頻電流存在于電網(wǎng)接受的電流內(nèi)。

3.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

新型的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)逐漸應(yīng)用于實(shí)踐中，該發(fā)電系統(tǒng)能夠從自動(dòng)化的角度上，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整。目前，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電中，比較常用的發(fā)電系統(tǒng)是無(wú)刷雙饋發(fā)電。該系統(tǒng)的定子繞組有兩套，且各不相同。兩種繞組分別是，能夠直接與電網(wǎng)系統(tǒng)接通，以及需要利用雙向變頻器才能實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)系統(tǒng)接通兩種。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，可對(duì)磁場(chǎng)電流進(jìn)行利用，根據(jù)電流發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的變化，而隨之發(fā)生改變，以此滿(mǎn)足人們生產(chǎn)生活中對(duì)電能的需求。

4 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用分析

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是提升風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用效率的重要技術(shù)，目前已在國(guó)內(nèi)得到較高認(rèn)可度。在眾多風(fēng)力發(fā)電企業(yè)中，對(duì)新興的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)用最為完善。該技術(shù)的應(yīng)用，不僅降低了企業(yè)以往使用恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的噪音較大現(xiàn)象，也充分提高了風(fēng)力發(fā)電效率。依據(jù)該技術(shù)的要求，為進(jìn)一步控制風(fēng)力發(fā)電的成本，提高發(fā)電效率和電能質(zhì)量，在風(fēng)力發(fā)電中對(duì)該技術(shù)的使用方案優(yōu)化中，主要從以下四個(gè)方面展開(kāi)：其一，大型化發(fā)展。要促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的大型化，減少發(fā)電機(jī)的占用面積，降低成本費(fèi)用。其二，重視變槳距技術(shù)。對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用，可從技術(shù)保障角度上實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)先機(jī)的控制，通過(guò)降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)重量、體積的方式，提高風(fēng)能的利用率與發(fā)電量。其三，突出無(wú)刷化。在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)改進(jìn)中，應(yīng)用無(wú)刷化可有效促使該發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。其四，從智能化角度實(shí)現(xiàn)控制。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電中，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制方法、模糊控制方法等，對(duì)風(fēng)力發(fā)電多參數(shù)變化、非線(xiàn)性因素變化進(jìn)行克服。通過(guò)對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的改進(jìn)，使企業(yè)的風(fēng)力發(fā)電效率得到提升，同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前能源短缺的現(xiàn)象，電能開(kāi)發(fā)多元化成為必然趨勢(shì)。在眾多發(fā)電方式中，風(fēng)力發(fā)電不僅具有無(wú)污染的特點(diǎn)，同時(shí)也具有利用周期性長(zhǎng)的特點(diǎn)。本文在對(duì)風(fēng)力發(fā)電研究中發(fā)現(xiàn)，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相比于傳統(tǒng)恒速恒頻技術(shù)，具有運(yùn)行效率高、穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，并且變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化調(diào)節(jié)，人員成本與安全性更高，解決電流兩融效率也更好。在多種優(yōu)勢(shì)下，風(fēng)電企業(yè)應(yīng)用該技術(shù)后能獲得更高收益，具有廣泛推廣使用的現(xiàn)實(shí)意義以及社會(huì)整體經(jīng)濟(jì)價(jià)值。