风力发电机系统对比分析

动力与环境问题已经成为全球可持续开展面对的首要问题，日益引起国际社会的广泛注重，并寻求活跃的对策。风能是一种可再生、无污染的绿色动力，是取之不尽、用之不竭的，并且储量非常丰富。据估计，全球可使用的风能总量在53000TWh/年。风能的大规模开发使用，将会有效削减化石动力的运用、削减温室气体排放、维护环境。大力开展风能已经成为各国政府的重要选择。
在风力发电中，当风力发电机与电网并联工作时，要求风电频率和电网频率坚持一致，即风电频率坚持安稳，因而，风力发电体系分为恒速恒频发电机体系（CSCF体系）和变速恒频发电机体系（VSCF体系）。恒速恒频发电机体系是指在风力发电过程中坚持发电机的转速不变然后得到和电网频率一致的恒频电能。恒速恒频体系（CSCF体系）一般来说比较简略，所选用的发电机首要是同步发电机和鼠笼型感应发电机，前者工作于电机极数和频率所决议的同步转速，后者则以稍高于同步转速的速度工作。变速恒频发电机体系（VSCF），是指在风力发电过程中发电机的转速，并以随风速改动而经过其它的操控方法来得到和电网频率一致的恒频电能。

1恒速恒频发电体系
现在，单机容量为600kW～750kW的风电机组多选用恒速工作方法，这种机组操控简略，可靠性好，大多选用制作简略，并网容易，励磁功率可直接从电网中取得的笼型异步发电机。恒速风电机组首要有两种类型：定桨距失速型和变桨距风力机。定桨距失速型风力机使用风轮叶片翼型的气动失速特性来约束叶片吸收过大的风能，功率调理由风轮叶片来完结，对发电机的操控要求比较简略。这种风力机的叶片结构杂乱，成型工艺难度较大。而变桨距风力机则是经过风轮叶片的变桨距调理组织操控风力机的输出功率。因为选用的是笼型异步发电机，无论是定桨距还是变桨距风力发电机，并网后发电机磁场旋转速度由电网频率所固定，异步发电机转子的转速改动规模很小，转差率一般为3%~5%，属于恒速恒频风力发电机。
1.1定桨距失速操控
定桨距风力发电机组的首要特点是桨叶与轮毅固定衔接，当风速改动时，桨叶的顶风视点固定不变。使用桨叶翼型自身的失速特性，在高于额外风速下，气流的功角增大到失速条件，使桨叶的外表发生紊流，功率下降，到达约束功率的意图。选用这种方法的风力发电体系操控调理简略可靠，但为了发生失速效应，导致叶片重，结构杂乱，机组的全体功率较低，当风速到达一定值时有必要停机。
1.2变距调理方法
在现在运用较多的恒速恒频风力发电体系中，一般状况要保持风力机转速的安稳，这在风速处于正常规模之中时能够经过电气操控而确保，而在风速过大时，输出功率持续增大可能导致电气体系和机械体系不能承受，因而需求约束输出功率并坚持输出功率安稳。这时就要经过调理叶片的桨距，改动气流对叶片攻角，然后改动风力发电机组取得的空气动力转矩。因为变桨距调理型风机在低风速时，可使桨叶坚持良好的攻角，比失速调理型风机有更好的能量输出，因而，比较适合于均匀风速较低的区域设备。变桨距调理的别的一个长处是在风速超速时能够逐步改动到无负载的全翼展方法位置，防止停机，添加风机发电量。对变桨距调理的一个要求是其对阵风的反应灵敏性。
1.3自动失速调理
自动失速调理方法是前两种功率调理方法的组合，吸取了被迫失速和变桨距调理的长处。体系中桨叶规划选用失速特性，调理体系选用变桨距调理，然后优化机组功率的输出。体系遭受强风到达额外功率后，桨叶节距自动向失速方向调理，将功率调整在额外值以下，约束机组最大功率输出。
跟着风速的不断改动，桨叶仅需微调即可保持失速状态。别的，调理桨叶还可完成气动刹车。这种体系的长处是既有失速特性，又可变桨距调理，进步了机组的工作功率，减弱了机械刹车对传动体系的冲击。体系操控容易，输出功率平稳，执行组织的功率相对较小。
1.4首要缺陷
恒速恒频风力发电机的首要缺陷有以下几点：一是风力机转速不能随风速而变，然后下降了对风能的使用率；二是当风速骤变时，巨大的风能改动将经过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，在这些部件上发生很大的机械应力;三是并网时可能发生较大的电流冲击。
现在的恒速机组，大部分运用异步发电机，在宣布有功功率的同时，还需求耗费无功功率（一般是设备电容器，以补偿大部分耗费的无功功率）。而现代变速风电机组却能非常精确地操控功率因数，甚至向电网运送无功功率，改进体系的功率因数。因为以上原因，变速风电机组越来越遭到风电界的注重，特别是在进一步开展的大型机组中将更为引人注目。
当然，决议变速机组规划是否成功的一个关键是变速恒频发电体系及其操控设备的规划。
2变速恒频发电体系
使用变速恒频发电方法，风力机就能够改恒绎技能沟通速工作为变速工作，这样就可能使风轮的转速随风速的改动而改动，使其坚持在一个安稳的最佳叶尖速比，使风力机的风能使用系数在额外风速以下的整个工作规模内都处于最大值，然后可比恒速工作获取更多的能量。尤其是这种变速机组可适应不同的风速区，大大拓宽了风力发电的地域规模。即便风速跃升时，所发生的风能也部分被风轮吸收，以动能的方法贮存于高速工作的风轮中，然后防止了主轴及传动组织承受过大的扭矩及应力，在电力电子设备的调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能，送入电网，然后使能量传输组织所受应力比较平稳，风力机组工作更加平稳和安全。
风力发电机变速恒频操控计划一般有4种：
（1）鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电体系；
（2）沟通励磁双馈发电机变速恒频风力发电体系；
（3）无刷双馈发电机变速恒频风力发电体系；
（4）永磁发电机变速恒频风力发电体系。
2.1鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电体系
选用的发电机为鼠笼式转子，其变速恒频操控战略是在定子电路完成的。因为风速是不断改动的，导致风力机以及发电机的转速也是改动的，所以，实践上鼠笼式风力发电机宣布的电是频率改动的，即为变频的，经过定子绕组与电网之间的变频器把变频的电能转化为与电网频率相同的恒频电能。尽管完成了变速恒频操控，具有变速恒频的一系列长处，但因为变频器在定子侧，变频器的容量需求与发电机的容量相同，使得整个体系的本钱、体积和重量明显添加，尤其关于大容量的风力发电体系。
2.2双馈式变速恒频风力发电体系
双馈式变速恒频风力发电体系常选用的发电机为转子沟通励磁双馈发电机，其结构与绕线式异步电机相似。因为这种变速恒频操控计划是在转子电路完成的，流过转子电路的功率是由沟通励磁发电机的转速工作规模所决议的转差功率，该转差功率仅为定子额外功率的一小部分，所需的双向变频器的容量仅为发电机容量的一小部分，这样该变频器的本钱以及操控难度大大下降。
这种选用沟通励磁双馈发电机的操控计划除了可完成变速恒频操控，削减变频器的容量外，还可完成有功、无功功率的灵活操控，对电网而言可起到无功补偿的效果。缺陷是沟通励磁发电机依然有滑环和电刷。
现在已经商用的有齿轮箱的变速恒频体系，大部分选用绕线式异步电机作为发电机，因为绕线式异步发电机有滑环和电刷，这种摩擦接触式结构在风力发电恶劣的工作环境中较易出现故障。而无刷双馈电机定子有两套级数不同绕组，转子为笼型结构，无须滑环和电机，可靠性高。这此长处都使得无刷双馈电机成为当时研究的热门。但在现在，这种电机在规划和制作上依然存在着一些难题。
2.3直驱型变速恒频风力发电体系
近几年来，直接驱动技能在风电领域得到了注重。这种风力发电机组选用多极发电机与叶轮直接衔接进行驱动的方法，然后免去了齿轮箱这一传统部件，因为其具有许多技能方而的长处，特别是选用永磁发电机技能，其可靠性和功率更高，处于当今国际上领先地位，在往后风电机组开展中将有很大的开展空间。德国在2003年上半年所设备的风力机中，就有40.9%选用了无齿轮箱体系。直驱型变速恒频风力发电体系的发电机多选用永磁同步发电机，其转子为永磁式结构，无需外部供给励磁电源，进步了功率。其变速恒频操控也是在定子电路完成的，把永磁发电机宣布变频的沟通电经过变频器转变为与电网同频的沟通电，因而，变频器的容量与体系的额外容量相同。
选用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合，省去了齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大削减体系工作噪声，进步可靠性。尽管因为直接耦合，永磁发电机的转速很低，使发电机体积很大，本钱较高，但因为省去了价格更高的齿轮箱，所以，整个体系的本钱还是下降了。别的，电励磁式径向磁场发电机也可视为一种直驱风力发电机的选择计划，在大功率发电机组中，它的直径大而轴向长度小。为了能放置励磁绕组和极靴，极距有必要足够大，它的输出沟通电频率一般低于50Hz，有必要装备整流逆变器。
直驱式永磁风力发电机的功率高、极距小，况且永磁资料的性价比正得到不断提高，运用远景非常宽广。
2.4混合式变速恒频风力发电体系
直驱式风力发电体系不只需求低速、大转矩电机并且需求全功率变流器，为了下降电机规划难度，带有低变速比齿轮箱的混合型变速恒频风力发电体系得到实践运用。这种体系能够看满足直驱传动体系和传统处理计划的一个折中。发电机是多极的，和直驱规划本质上一样的，但它更紧凑，相对来说具有更高的速度和更小的转矩。
2.5其它