四級變速風力發(fā)電技術(shù)分析研究

　　隨著人類社會的發(fā)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(huán)境污染也已成為威脅人類生存的主要問題。發(fā)展利用風能等可再生能源已成為我國長期的能源戰(zhàn)略，目前我國風力發(fā)電裝機容量僅占我國可利用風力資源0.1%，根據(jù)《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》，風電到2020年很可能超越核電，成為我國第三大發(fā)電形式。在風力發(fā)電中如何提高風能利用率及風電質(zhì)量是至關(guān)重要的，是首先要面對并解決的工程技術(shù)。傳統(tǒng)“恒速恒頻”發(fā)電技術(shù)中風力機的葉輪轉(zhuǎn)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(shù)只能在某一風速下實現(xiàn)風力機最大風能利用［1］；在葉片等其他技術(shù)條件相同情況下，如實現(xiàn)在全部工作風速或多個風速值下風力機均能實現(xiàn)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(fā)電技術(shù)就是風力機的葉輪能在多個轉(zhuǎn)速點對應(yīng)多個風速值轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)在相應(yīng)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(fā)電技術(shù)是“多級變速”技術(shù)的具體應(yīng)用。

　　一 四級變速風力發(fā)電機原理

　　多級變速風力發(fā)電機主要由2臺發(fā)電機（發(fā)電機1和發(fā)電機2）、控制系統(tǒng)和變速機3部分組成，其技術(shù)原理如圖1所示。大功率的發(fā)電機2的定子繞組與電網(wǎng)連接，向電網(wǎng)輸送頻率為ft的工頻電流，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)控制系統(tǒng)與小功率的發(fā)電機1的定子繞組相連［1］。

　　大功率的發(fā)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(lián)接運行。發(fā)電機2輸出的電流頻率不僅和轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速有關(guān)，還和輸入轉(zhuǎn)子繞組的電流頻率有關(guān)，具有將轉(zhuǎn)子的機械旋轉(zhuǎn)頻率和轉(zhuǎn)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(jù)“合頻”特性，在圖1兩臺電機組合發(fā)電中，發(fā)電機2定子繞組輸出的電流頻率、發(fā)電機1定子繞組輸出的電流頻率和電機轉(zhuǎn)子的機械旋轉(zhuǎn)頻率應(yīng)符合如下關(guān)系［3］

　　f1= P1×fn1

　　ft= P2×fn2 + P1×fn1 （1）

　　式中ft——發(fā)電機2定子繞組輸出的電流頻率，與電網(wǎng)頻率相同；

　　P2——發(fā)電機2的極對數(shù)；

　　fn2——發(fā)電機2的轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)頻率；

　　P1——發(fā)電機1的極對數(shù)；

　　fn1——發(fā)電機1的轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)頻率。

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

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