多级变速风力发电比较研究

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1、多级变速风力发电比较研究引言   随着人类社会的发展,地球上煤炭、石油、天然气等地下资源正面临着枯竭的危险，同时严重的环境污染也已成为威胁人类生存的主要问题。发展利用风能等可再生能源已成为我国长期的能源战略，目前我国风力发电装机容量仅占我国可利用风力资源的0.1%，根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，风电到2020年很可能超越核电，成为我国第三大发电形式。在风力发电中如何提高风能利用率及风电设备质量是至关重要的，是首先要面对并解决的工程技术，它和采用哪种风力发电技术有直接的关系，按风力机转速是否可变来区分，传统上可分为“恒速恒频”和“变速恒频”2种风力发电技术。

2、“恒速恒频”技术中风力机的叶轮转速始终保持不变以达到标准的频率、电压等电力要求，该技术只能在某一风速下实现风力机最大风能利用；“变速恒频”技术中风力机的叶轮转速可随风速的变化而变动，可实现在各种风速下风力机都能获得最大的风能利用，自20世纪70年代中期形成以来，变速恒频技术已越来越受到重视，并逐步得到应用，但由于该技术的恒频控制装置较为复杂和昂贵，因而还没有大量地被采用；“多级变速”风力发电技术中风力机的叶轮能在几个转速点转动，该技术把风速分为几个范围，不同范围的风速对应几个叶轮转速点，可实现在几个风速下风力机获得最大的风能利用，并输出频率恒定的电能，该技术风能利用率

3、相对较高、经济实用、简单可靠。1风能利用比较分析   风能利用率与风力机输出功率系数Cp有直接的关系，而功率系数Cp在特定的风力条件下主要受风力机叶尖速比的影响，其关系如图1所示，由图1可知只有在某一确定的尖速比值下功率系数Cp才达到最大值，且尖速比离该点越远风力机输出功率系数Cp下降越快，风能利用率越低。传统的“恒速恒频”的风力机转速始终保持不变，而当风速变化时叶尖速比值必然发生变化，Cp显然不可能保持在最大值，其风能利用率也相对较低；只有风机叶轮转速和发电机主轴转速随风速的变化可在很大范围内变化，才能使风力机的叶尖速比处于或接近于最佳值，从而最大限度地利用风能，这

4、种技术称为变速恒频风力发电技术。图2恒速恒频中风速与功率系数关系                  图3变速恒频中风速与功率系数关系    图4多级变速中风速与功率系数关系假设恒速恒频风力发电方式在10m/s风速时获得最大风能，即该点功率系数Cp最大，以风速为横坐标、功率系数为纵坐标可画出功率系数和风速的关系图2，同样画出变速恒频风力发电的功率系数和风速的关系图3，及多级变速风力发电（3个恒频转速点）的功率系数和风速的关系图4，由图4可知多级变速风力发电在8m/s、10m/s、12m/s的3个风速点能获得最大功率系数，即风能利用最大；而变速恒频风力发电在整个工作风速范

5、围内都可最大地利用风能；恒速恒频风力发电只是在10m/s左右风速利用风能。设变速恒频风力发电在整个风速工作范围内风能利用量为1个单位，则多级变速风力发电风能利用量能达到80%左右，恒速恒频风力发电风能利用量约为40%。2风力发电技术具体比较分析   “多级变速”风力发电技术除风能利用率相对“恒速恒频”较高外，和其他3种主要风力发电技术作比较分析，它还有其他性能上的特点，具体如表1所示。主要风力发电机特性                   表1 发电   技术优 点缺 点恒速恒频发电技术成熟，一般采用感应电机，电机结构简单；并网无需同步装置；运行时只需适当限制负载，无

6、失步现象。需全功率机械增速（如图5）；不同风速下，风机转速不变，风能利用率低；当风力较小时，有“大功率电机发小功率电能”现象，发电机效率低。低速直驱发电属特殊的恒速恒频发电机，一般用永磁发电机，无需齿轮增速箱，机械传动机构简单，维护费用低；自身有无功补偿能力。电机极对数多，制造复杂，成本较高；电机体积大（如图6），700KW电机其直径超过4m，对气流有影响；有“大功率电机发小功率电能”现象。变频双馈发电风机的转速可大范围变化而不影响输出电力的频率；叶轮的叶尖速比可处于最价值，风能利用率高；通过控制双向变频器，可灵活调节系统的有功和无功功率，抑制谐波，提高电力质量；可实

7、现无齿轮箱驱动。变频控制技术复杂，设备昂贵，目前只有德国等几个国家采用；有“大功率电机发小功率电能”现象（如图7）。多级变速风力发电 和恒速恒频发电机属同类技术，但较前者风能利用率有很大提高；没有“大功率电机发小功率电能”现象；成本相对较低，发电机效率高。体积增大，风能利用相对低（如图8）。3多级变速风力发电优点   多级变速风力发电的技术方案如图9所示，尽管增加了一个小功率的多极对数发电机2，设置了一个变速器，但其优点也是明显的，主要有以下几点：            图5恒速恒频风力发电机多级变速风力发电比较研究中国新能源网

8、2008-6-29: