風(fēng)力發(fā)電系統的電能變換裝置設計方案

O 引言

伴隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展及人口的增長(cháng)，人類(lèi)對能源的需求增加，而以煤炭、石油為主的常規能源存在有限性，且污染和破壞自然環(huán)境。風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，并且資源豐富，有著(zhù)無(wú)需開(kāi)采、運輸的特點(diǎn)。目前風(fēng)力發(fā)電系統分非直驅風(fēng)力發(fā)電系統和直驅風(fēng)力發(fā)電系統，前者主要采用齒輪箱對風(fēng)輪機提速后，驅動(dòng)常規異步發(fā)電機，而直驅風(fēng)力發(fā)電在整個(gè)體系結構中，由于省去了增速齒輪箱，減小了風(fēng)力發(fā)電機的體積和重量，省去了維護，降低了風(fēng)力發(fā)電機的運行噪聲，所以研究直驅風(fēng)力發(fā)電系統的電能變換裝置對提高風(fēng)電轉換效率及開(kāi)發(fā)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的推廣，有著(zhù)重要的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。

1 常規直驅風(fēng)力發(fā)電系統的特性

直驅風(fēng)力發(fā)電系統采用低速的永磁同步發(fā)電機取代了異步發(fā)電機，在永磁直驅風(fēng)力發(fā)電系統中，風(fēng)輪機將捕獲的風(fēng)能以機械能的形式驅動(dòng)永磁發(fā)電機，永磁發(fā)電機的轉速隨著(zhù)風(fēng)速的變化而進(jìn)行變化，發(fā)出電壓和頻率都變化的電能，需要經(jīng)過(guò)電能變換電路輸出恒壓恒頻的電能?，F階段常規離網(wǎng)型戶(hù)用風(fēng)力發(fā)電系統的基本結構如圖1所示。

風(fēng)速的時(shí)變性，使得風(fēng)力發(fā)電機的電壓及頻率變化，不易于直接被負載利用，所以目前的獨立運行風(fēng)力發(fā)電系統通過(guò)“交流-直流-交流”的轉換方式供電，且要考慮風(fēng)速很弱及無(wú)風(fēng)的情況，系統的裝置中使用了蓄電池進(jìn)行儲能。先用整流器將發(fā)電機的交流電變成直流電向蓄電池充電，再用逆變器將直流電變換成電壓和頻率穩定的交流電輸出供給負載使用。系統的能量傳輸分配中要經(jīng)過(guò)兩次能量轉換：電能-化學(xué)能-電能，能量的利用率偏低，且由于風(fēng)力發(fā)電發(fā)出的能量較小，往往達不到負載需求的電能。

2 改造后的直驅風(fēng)力發(fā)電系統

2．1 風(fēng)力發(fā)電系統的基本組成

針對直驅風(fēng)力發(fā)電的特性，研究設計的風(fēng)力發(fā)電系統應由風(fēng)輪機、永磁同步發(fā)電機、電能變換裝置(整流器、直流調壓裝置、逆變器)、控制器、泄能負載、蓄電池、制動(dòng)剎車(chē)裝置和用戶(hù)負載等組成，其設計研究的永磁直驅風(fēng)力發(fā)電系統的結構組成原理圖如圖2所示。

2．2 能量傳輸分配分析

分析在正常情況下的能量流動(dòng)路徑，由圖2所列出的風(fēng)電系統的供電模式可知，在考慮風(fēng)速大于切入風(fēng)速及小于切出風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電控制系統中的能量傳輸的關(guān)系大體上分4種情況如圖3所示。

正常啟動(dòng)風(fēng)速到達后，風(fēng)輪機開(kāi)始運行，當風(fēng)速較大時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)出的電能，經(jīng)過(guò)電能變換裝置調節后，得到用戶(hù)負載所需要的交流電，多余的電能經(jīng)過(guò)蓄電池儲存起來(lái)；當風(fēng)速不足時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)出的電能較小或則不發(fā)電能，此時(shí)由蓄電池發(fā)電給電能變換裝置，進(jìn)而變換后，供給用戶(hù)負載；當風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)出的電能遠大于用戶(hù)所需的電能，且在蓄電池電量已被充滿(mǎn)的情況下，采用泄能負載控制器對多余的電能放電。