1 引言
作為一種價(jià)格低廉、運行可靠、無(wú)溫室氣體排放的新型發(fā)電系統，風(fēng)力發(fā)電系統的安裝容量正在以每年超過(guò)30%的增長(cháng)率在世界范圍得到日益廣泛的應用，已經(jīng)形成一個(gè)年產(chǎn)值超過(guò)五十億美元的全球性產(chǎn)業(yè)。目前安裝的風(fēng)力發(fā)電系統大多是MW級與電網(wǎng)互聯(lián)的大型風(fēng)機系統，該行業(yè)的技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷完善已日臻成熟。但是用于邊遠地區獨立供電的小型風(fēng)力發(fā)電系統還需要克服很多技術(shù)上的難點(diǎn)才能得以廣泛的應用。隨著(zhù)我國對“三農”投入力度加大，經(jīng)濟持續快速發(fā)展，廣大農、牧、漁民對改善生活環(huán)境，提高生活質(zhì)量，解決生活用電的迫切要求，采用小型風(fēng)力發(fā)電系統為局部負載提供電力，不僅可以減少一次性巨額投資，還可以免除火力發(fā)電系統的溫室氣體排放，改善環(huán)境和農村地區的能源結構，有益于可持續性發(fā)展[1][2]。
2 小型風(fēng)力發(fā)電系統總體結構及工作原理
風(fēng)力發(fā)電機組是將風(fēng)能轉化為電能的機械。從能量轉換的角度看，風(fēng)力發(fā)電機組由兩大部分組成：其一是風(fēng)力機，它的功能是將風(fēng)能轉換為機械能；其二是發(fā)電機，它的功能是將機械能轉換為電能[3]。
小型風(fēng)力發(fā)電系統結構如圖1所示。它一般由風(fēng)輪、發(fā)電機、尾舵和電氣控制部分等構成。常規的小型風(fēng)力發(fā)電機組多由感應發(fā)電機或永磁同步發(fā)電機加AC/DC變換器、蓄電池、逆變器組成[4]。在風(fēng)的吹動(dòng)下，風(fēng)輪轉動(dòng)起來(lái)，使空氣動(dòng)力能轉變成了機械能（轉速+扭矩）。風(fēng)輪的輪轂固定在發(fā)電機軸上，風(fēng)輪的轉動(dòng)驅動(dòng)了發(fā)電機軸的旋轉，帶動(dòng)永磁三相發(fā)電機發(fā)出三相交流電。風(fēng)速的不斷變化、忽大忽小，發(fā)電機發(fā)出的電流和電壓也隨著(zhù)變化。發(fā)出的電經(jīng)過(guò)控制器的整流，由交流電變成了具有一定電壓的直流電，并向蓄電池進(jìn)行充電。從蓄電池組輸出的直流電，通過(guò)逆變器后變成了220V的交流電，供給用戶(hù)的家用電器。
風(fēng)力發(fā)電機根據應用場(chǎng)合的不同又分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型風(fēng)力機。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機亦稱(chēng)獨立運行風(fēng)力機，是應用在無(wú)電網(wǎng)地區的風(fēng)力機，一般功率較小。獨立運行風(fēng)力機一般需要與蓄電池和其他控制裝置共同組成獨立運行風(fēng)力機發(fā)電系統。這種獨立運行系統可以是幾kW乃至幾十kw，解決一個(gè)村落的供電系統，也可以是幾十到幾百W的小型風(fēng)力發(fā)電機組以解決一家一戶(hù)的供電。
3 小型風(fēng)力發(fā)電機的電力變換裝置
由于風(fēng)能的隨機性，發(fā)電機所發(fā)出電能的頻率和電壓都是不穩定的，以及蓄電池只能存儲直流電能，無(wú)法為交流負載直接供電。因此，為了給負載提供穩定、高質(zhì)量的電能和滿(mǎn)足交流負載用電，需要在發(fā)電機和負載之間加入電力變換裝置，這種電力變換裝置主要由整流器、逆變器、控制器、蓄電池等組成[5][6]。
3.1 整流器
整流器的主要功能是對風(fēng)力發(fā)電機輸出的三相交流電進(jìn)行整流，整流后的直流電經(jīng)過(guò)控制器再對蓄電池進(jìn)行充電。一般采用的都是三相橋式整流電路。在風(fēng)電支路中整流器的另外一個(gè)重要的功能是，在外界風(fēng)速過(guò)小或者基本沒(méi)風(fēng)的情況下，風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率也較小，由于三相整流橋的二極管導通方向只能是由風(fēng)力發(fā)電機的輸出端到蓄電池，所以防止了蓄電池對風(fēng)力發(fā)電機的反向供電。
獨立運行的小型風(fēng)力發(fā)電系統中，有風(fēng)輪驅動(dòng)的交流發(fā)電機，需要配以適當的整流器，才能對蓄電池充電。根據風(fēng)力發(fā)電系統的容量不同，整流器分為可控與不可控兩種�？煽卣髌髦饕獞迷诠β瘦^大的系統中，可以減小電感過(guò)大帶來(lái)的體積大、損耗大等缺點(diǎn)；不可控整流器主要應用于小功率系統中。
3.2 逆變器
逆變器是在電力變換過(guò)程中經(jīng)常使用到的一種電力電子裝置，它的主要作用就是將蓄電池存儲的或由整流橋輸出的直流電轉變?yōu)樨撦d所能使用的交流電。目前獨立運行小型風(fēng)電系統的逆變器多數為電壓型單相橋式逆變器。在風(fēng)力發(fā)電中所使用的逆變器要求具有較高的效率，特別是輕載時(shí)的效率要高，這是因為風(fēng)電發(fā)電系統經(jīng)常運行在輕載狀態(tài)。另外，由于輸入的蓄電池電壓隨充、放電狀態(tài)改變而變動(dòng)較大，這就要求逆變器能在較大的直流電壓變化范圍內正常工作，而且要保證輸出電壓的穩定[7]。
過(guò)去風(fēng)力機的控制器和逆變器是分開(kāi)的，現在多數廠(chǎng)家都采用控制器和逆變器一體化的方案�？刂破鲗l(fā)電機發(fā)出的交流電整流后，充入蓄電池組。逆變器將蓄電池組輸出的直流電轉換成220V交流電，并提供給用電器[8]。
逆變器按輸人方式分為兩種：
（1）直流輸入型：逆變器輸入端直接與電瓶連接的產(chǎn)品；
（2）交流輸入型：逆變器輸入端與風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機交流輸出端連接的產(chǎn)品，即控制、逆變一體化的產(chǎn)品。
逆變器的保護功能有：
（1）過(guò)充保護：當風(fēng)速持續較高，蓄電池充電很足，蓄電池組電壓超過(guò)額定電壓1.25倍時(shí)，控制器停止向蓄電池充電，多余的電流流向卸荷器。
（2）過(guò)放保護：當風(fēng)速長(cháng)期較低，蓄電池充電不足，蓄電池組電壓低于額定電壓0.85倍時(shí)，逆變器停止工作，不再向外供電。當風(fēng)速再增高，蓄電池組電壓恢復到額定電壓的1.1倍時(shí)，逆變器自動(dòng)恢復工作、向外供電。
3.3 蓄電池[9][10]
在獨立運行的小型風(fēng)力發(fā)電系統中，廣泛采用蓄電池作為蓄能裝置。蓄電池的作用是當風(fēng)力較強或負荷減小時(shí)，可以將來(lái)自風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電能中的一部分儲存在蓄電池中，也就是向蓄電池充電。當風(fēng)力較弱、無(wú)風(fēng)或用電負荷增大時(shí)，儲存在蓄電池中的電能向負荷供電，以補足風(fēng)力發(fā)電機所發(fā)電能的不足，達到維持向負荷持續穩定供電的作用。
蓄電池主要有普通蓄電池、堿性鎘鎳蓄電池以及閥控式密封鉛酸蓄電池三類(lèi)。普通鉛酸蓄電池由于具有使用壽命短、效率低、維護復雜、所產(chǎn)生的酸霧污染環(huán)境等問(wèn)題，其使用范圍很有限，目前已逐漸被閥控式密封鉛酸蓄電池所淘汰。閥控式密封鉛酸蓄電池整體采用密封結構，不存在普通鉛酸蓄電池的氣漲、電解液滲漏等現象，使用安全可靠、壽命長(cháng)，正常運行時(shí)無(wú)須對電解液進(jìn)行檢測和調酸加水，又稱(chēng)為免維護蓄電池，目前已被廣泛地應用到郵電通信、船舶交通、應急照明等許多領(lǐng)域。堿性鎘鎳蓄電池的特點(diǎn)是體積小、放電倍率高、運行維護簡(jiǎn)單、壽命長(cháng)，但由于它單體電壓低、易漏電、造價(jià)高且容易對環(huán)境造成污染，因而其使用受到限制，現主要應用在電動(dòng)工具及各種便攜式電子裝置上。
目前在大多數風(fēng)電系統或太陽(yáng)能光伏系統中采用的都是閥控式密封鉛酸蓄電池。蓄電池是影響風(fēng)電系統壽命的關(guān)鍵因素，對閥控式密封鉛酸蓄電池充放電的控制直接影響蓄電池的壽命，不合理的充放電將直接導致蓄電池的崩潰。在大多數的風(fēng)電系統中，都是由CPU來(lái)監測并控制蓄電池的充放電過(guò)程，較多采用分階段法來(lái)優(yōu)化充電過(guò)程。因為分階段充電過(guò)程符合閥控式密封鉛酸蓄電池的特性，能很好地保護蓄電池，延長(cháng)其使用壽命。
4 最大輸出功率調節方式
在風(fēng)力發(fā)電中，由于風(fēng)速變幻莫測，使對其的利用存在一定的困難。風(fēng)速的變化使風(fēng)力機輸出機械功率發(fā)生變化，從而使發(fā)電機輸出功率產(chǎn)生波動(dòng)而使電能質(zhì)量下降，使風(fēng)力發(fā)電機的輸出電能質(zhì)量穩定成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的重要問(wèn)題。所以改善風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，提高風(fēng)力發(fā)電機組的效率，對于最充分地利用風(fēng)能資源有著(zhù)十分重要的意義。
根據風(fēng)力發(fā)電供電方式的不同將功率輸出定性地分為兩類(lèi)：調節機械功率，在風(fēng)力機控制回路加調節裝置使風(fēng)力機輸出機械功率穩定；調節電功率，在發(fā)電機的控制部分加入反饋，使用快速響應的控制器和優(yōu)化控制策略來(lái)控制發(fā)電機輸出功率[11]。
4.1 定漿距失速調節
失速調節方式是指漿葉本身所具有的失速特性，當風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，氣流的攻角增大到失速條件，使漿葉的表面產(chǎn)生渦流，降低葉片氣動(dòng)效率，影響能量捕獲。小型風(fēng)力發(fā)電系統最大功率控制擾動(dòng)法失速調節一般用于恒速運行的風(fēng)力發(fā)電機中[11-13]。
4.2 變漿距調節
為了提高風(fēng)能轉換效率和保證風(fēng)力機輸出功率平穩，可以通過(guò)漿距調節使風(fēng)力機適應風(fēng)速的變化，達到最優(yōu)的功率輸出。變漿距風(fēng)力發(fā)電機組不完全依靠葉片的氣動(dòng)特性，而主要是依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來(lái)調節風(fēng)能的轉換效率。在靜止時(shí)節距角為90°，這時(shí)氣流對槳葉不產(chǎn)生力矩，整個(gè)槳葉相當于一塊阻尼板。當達到啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳葉向0°方向轉動(dòng)，氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，葉輪開(kāi)始轉動(dòng)。在額定風(fēng)速以下時(shí)，葉片的攻角處于0°附近，此時(shí)葉片角度受控制精度的影響，變化范圍很小，可等同于定漿矩風(fēng)機。在額定風(fēng)速以上時(shí)，變漿距機構發(fā)揮作用，調整葉片攻角，保證發(fā)電機的功率在允許范圍之內。變漿距風(fēng)力機啟動(dòng)風(fēng)速比較低，這對增加發(fā)電量幾乎沒(méi)有什么意義，停機時(shí)對傳動(dòng)機構沖擊小，風(fēng)力機正常工作時(shí)主要采用功率控制[11-13]。
4.3 主動(dòng)失速調節
這種調節方式是前兩種功率調節方式的組合。在低風(fēng)速時(shí)，采用變漿距調節，可達到更高的氣動(dòng)效率；當風(fēng)機達到額定功率后，風(fēng)機按照變漿距調節時(shí)風(fēng)機調節漿距相反的方向改變漿距，這種調節將引起葉片攻角的變化，從而導致更深層次的失速，可使功率輸出更加平滑。這種調節方式綜合前兩種調節方式的優(yōu)點(diǎn)，類(lèi)似變漿距調節，但不需要很靈敏的調節速度，大風(fēng)時(shí)，整個(gè)機組受到的沖擊也較小[13]。
5 結束語(yǔ)
小型風(fēng)力發(fā)電系統作為農村能源的組成部分，它的推廣應用對于改善用電結構，特別是邊遠山區的生產(chǎn)、生活用能，推動(dòng)生態(tài)環(huán)境建設諸領(lǐng)域的發(fā)展將發(fā)揮積極作用，因此具有廣闊的市場(chǎng)前景。風(fēng)能具有隨機性和不確定性，風(fēng)力發(fā)電系統是一個(gè)復雜系統。簡(jiǎn)化小型風(fēng)力發(fā)電系統的結構、降低成本、提高可靠性及實(shí)現系統優(yōu)化運行，對于小型風(fēng)力風(fēng)力發(fā)電系統的推廣具有非常重要意義。 |
