【正文】 行方式重點解決以下問題： 1) 高質(zhì)量地將不斷變化的風能轉(zhuǎn)換為頻率、電壓恒定的交流電或電壓恒定的直流電。 3) 穩(wěn)定可靠地同電網(wǎng)、柴油發(fā)電機及其他發(fā)電裝置或儲能系統(tǒng)聯(lián)合運行，為用戶提供穩(wěn)定的電能。下面分別作一概要介紹。所采用的發(fā)動機主要有兩種，即同步發(fā)電機和鼠籠型感應發(fā)電機。前者運行于由電機極數(shù)和頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速，后者則以稍高于同步速的轉(zhuǎn)速運行。其輸出聯(lián)接到鄰近的三相電網(wǎng)或輸配電線。因為三相電機比起相同額定功率的單相電機來，一般體積較小、效率較高、而且便宜，所以只有在功率很小和僅有單相電網(wǎng)的少數(shù)情況下才了考慮采用單相發(fā)電機。它不僅可以并網(wǎng)運行，也可以單獨運行，滿足各種不同負載的需要。感應發(fā)電機也稱為異步發(fā)電機，有鼠籠型和繞線型兩種。它的定子鐵心和定子繞組的結(jié)構(gòu)與同步發(fā)電機相同。槽中嵌入金屬（鋁或銅）導條，在鐵心兩端用鋁或銅端環(huán)將導條短接。[6]感應發(fā)電機也可以有兩種運行方式，即并網(wǎng)運行和單獨運行。在單獨運行時，感應發(fā)電機電壓的建立需要有一個自勵過程。 變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)這是20世紀70年代中期以后逐漸發(fā)展起來的一種新型風力發(fā)電系統(tǒng)，其主要優(yōu)點在于風輪以變速運行，可以在很寬的風速范圍內(nèi)保持近乎恒定的最佳葉尖速比，從而提高了風力機的運行效率，從風中獲取的能量可以比恒速風力機高得多。利用電力電子學是實現(xiàn)變速運行最佳的最好方法之一，雖然與恒速恒頻系統(tǒng)相比可能使風電轉(zhuǎn)換裝置的電氣部分變得較為復雜和昂貴，但電氣部分的成本在中、大型風力發(fā)電機組所占比例不大，因而發(fā)展中、大型變速恒頻風電機組受到很多國家的重視。 不連續(xù)變速系統(tǒng)一般來說，利用不連續(xù)變速發(fā)電機可以獲得連續(xù)變速運行的某些好處，但不是全部好處。但它對風速的快速變化實際上只是一臺單速風力機，因此不能期望它像連續(xù)變速系統(tǒng)那樣有效地獲取變化的風能。下面介紹不連續(xù)變速運行方式常用的幾種方法。2. 雙繞組雙速感應發(fā)電機 這種電機有兩個定子繞組，嵌在不同的定子鐵心槽內(nèi)，在某一時間內(nèi)僅有一個繞組在工作，轉(zhuǎn)子仍是通常的鼠籠型。比起單速機來，這種發(fā)動機要重一些，效率也稍低一些，因為總有一個繞組未被利用，導致?lián)p耗相對增大。3. 雙速極幅調(diào)制感應發(fā)電機 這種感應發(fā)電機只有一個定子繞組，轉(zhuǎn)子同前，但可以有兩種不同的運行速度，只是繞組的設(shè)計不同于普通單速發(fā)動機。這種電機定子繞組有六個接線端子，通過開關(guān)控制不同的接法，即可得到不同的轉(zhuǎn)速。缺點是電機的旋轉(zhuǎn)磁場不是理想正弦形，因此產(chǎn)生的電流中有不需要的諧波分量。機械方法如采用變速比液壓傳動或可變傳動比機械傳動，電/機械方法如采用定子可旋轉(zhuǎn)的感應發(fā)電機，電氣式變速系統(tǒng)如采用高滑差感應發(fā)電機或雙定子感應發(fā)電機等。目前看來最有前景的當屬電力電子學方法，這種變速發(fā)電系統(tǒng)主要由兩部分組成，即發(fā)電機和電力電子變換裝置。下面結(jié)合發(fā)電機和電力電子變換裝置介紹三種連續(xù)變速的發(fā)電系統(tǒng)。發(fā)電機發(fā)出的頻率變化的交流電首先通過三相橋式整流器整流成直流電再通過線路換向的逆變器變換為頻率恒定的交流電輸入電網(wǎng)。發(fā)電機本身具有較高的旋轉(zhuǎn)頻，用頻率為 (一般是工頻50Hz)的低頻交流電勵磁，則三相電樞繞組的輸出電壓將是由頻率為和的兩個分量組成的調(diào)幅波。它實質(zhì)上是利用一臺三相高頻交流發(fā)電機，通過磁場調(diào)制和解調(diào)技術(shù)來產(chǎn)生一個所需的低頻單相輸出。這個特點非常適合用于并網(wǎng)運行，風力發(fā)電機的勵磁通過勵磁變壓器取自電網(wǎng)，這樣，風力發(fā)電機的輸出總是自動與電網(wǎng)同步，不存在失步問題，而且整個系統(tǒng)控制相當簡單，運行非?？煽俊Ａ硗?，電路輸出波形中諧波分量很小，可以得到相當好的正弦輸出波形。它的缺點是若想得到三相輸出，則必須采用三套磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)，且各套發(fā)電機系統(tǒng)間應保持某一合適的相位差，這就提高了整個系統(tǒng)的成本。另外，因其電力電子變換裝置處在主電路中，因而容量要大，提高了成本。從而在發(fā)電機定子繞組中感應出相應于同步轉(zhuǎn)速的工頻電壓。在n2變化時，相應改變轉(zhuǎn)子電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場的速度n1，以補償電機轉(zhuǎn)速的變化，保持輸出頻率恒定不變。由于變換裝置處在發(fā)電機的轉(zhuǎn)子回路（勵磁回路），其容量一般不超過發(fā)電機額定功率的30%。在前一種情況下，除了定子向電網(wǎng)饋送電力外，轉(zhuǎn)子也向電網(wǎng)饋送一部分電力；在后一種情況下，則在定子向電網(wǎng)饋送電力的同時，需要向轉(zhuǎn)子饋入部分電力。目前正在研究一種新型的無刷雙饋發(fā)電機，它采用雙級定子和嵌套偶合的籠型轉(zhuǎn)子。前3個端子輸出的電力，其頻率與電網(wǎng)頻率一樣，后三個端子輸出的電力，其頻率相當于轉(zhuǎn)差頻率，必須通過電力變換裝置（交/交循環(huán)變流器）變換成與電網(wǎng)相同的頻率和電壓后再聯(lián)入電網(wǎng)。 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的特點變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的特點是風力機和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化，而不影響輸出電能的頻率。另外，對于恒速風機來說，當風速躍升時，巨大的風能將通過風輪機傳遞給主軸、齒輪和發(fā)電機等部件，在這些部件上產(chǎn)生很大的機械應力，如果這種過程重復出現(xiàn)會引起這些部件的疲勞損壞，因此設(shè)計時應該加大安全系數(shù)，從而導致制造成本增加。當風速下降時，在電力電子裝置調(diào)控下，將高速風輪所釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芩腿腚娋W(wǎng)，風輪的加速、減速對風能的階躍性變化起到緩沖作用，使風力機內(nèi)部能量傳輸部件的應力變化比較平穩(wěn)，防止破壞性機械應力產(chǎn)生，從而使風力發(fā)電機組運行更加平穩(wěn)和安全。2). 較寬的轉(zhuǎn)速運行范圍，以適應由于風速變化引起的風力機轉(zhuǎn)速的變化。3) 采用先進的PWM控制技術(shù)，可抑制諧波，減小開關(guān)損耗，提高效率，降成本。異步發(fā)電機三相電樞繞組的輸出電壓將是由頻率為和的兩個分量組成的調(diào)幅波。它實質(zhì)上是利用一臺三相高頻交流發(fā)電機，通過磁場調(diào)制和解調(diào)技術(shù)來產(chǎn)生一個所需的低頻單相輸出。這個特點非常適合用于并網(wǎng)運行，風力發(fā)電機的勵磁通過勵磁變壓器取自電網(wǎng)，這樣，風力發(fā)電機的輸出總是自動與電網(wǎng)同步，不存在失步問題，而且整個系統(tǒng)控制相當簡單，運行非?？煽俊Ａ硗?，電路輸出波形中諧波分量很小，可以得到相當好的正弦輸出波形。：齒輪箱 風力發(fā)電機整流裝置控制系統(tǒng)儲能裝置電 網(wǎng) 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng) 風輪機風輪機是整個風力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的首要部件, 它用來截獲流動空氣所具有的動能, 并將風輪機葉片迎風掃掠面積內(nèi)的一部分空氣的動能轉(zhuǎn)換為有用的機械能, 所以它不僅決定了整個風力發(fā)電系統(tǒng)裝置有效功率的輸出, 而且直接影響機組的安全穩(wěn)定運行。風輪機的氣動特性很復雜, 主要包括: 力矩特性、功率特性、推力特性等。設(shè)A 為風輪機葉片迎風掃掠面積,為空氣進入風輪機掃掠面以前的風速(即未擾動風速) , Q為空氣的密度, 則在單位時間(內(nèi)垂直通過截面A的空氣的動能, 即風輪機的輸入功率為: = ()定義風能利用系數(shù) () 所以有: ()風能利用系數(shù)時表征風輪機效率的重要參數(shù),它隨著風輪機轉(zhuǎn)速的不同,[ 3 ] , 的最大值為01593。 在某一固定的風速下, 隨著風輪機轉(zhuǎn)速n 的變化, CP 的值會相應的變化, 從而使風輪機輸出的機械功率Pm 變化, 也就是說, 轉(zhuǎn)速n 變化, 會導致風輪機捕獲風能的能力有所不同。齒輪箱也根據(jù)特殊情況采用一些特殊裝置,例如:：在孤島型供電方式的風力發(fā)電系統(tǒng)中,可在風力渦輪機與發(fā)電機之間裝設(shè)飛輪,利用飛輪的高慣性在風速過快時進行儲能,風速過慢時釋放儲能,使風力渦輪機輸出機械功率穩(wěn)定。 風力發(fā)電機 目前用來做風力發(fā)電的風力發(fā)電機種類多種多樣,有異步發(fā)電機、同步發(fā)電機、永磁發(fā)電機等等。通常同步發(fā)電機并入電網(wǎng)時必須整步，并且并入電網(wǎng)后有時會發(fā)生振蕩與失步。第二，通過對電壓和頻率的動態(tài)控制允許發(fā)電機工作在最大效率點。但該機組的主要缺點是風速小時，電能輸出少。該方案是在電網(wǎng)頻率不變的情況下，由風輪運行工況變換為電機轉(zhuǎn)速變化工況，從而增加了電能輸出，還可以實現(xiàn)機組的平衡起動和電磁制動，以及電網(wǎng)電壓故障時，控制線路中的伺服電動機可得到備用電源。因此，也有采用一臺雙速變極發(fā)電機來替代兩臺不同額定功率值的異步發(fā)電機。1. 雙輸出異步發(fā)電機的工作原理風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中使用的傳統(tǒng)異步發(fā)電機向電網(wǎng)輸送電能時，作為恒輸出功率的異步發(fā)電機以超同步轉(zhuǎn)子速度運行。為使異步發(fā)電機作為一種變速、恒頻裝置運行，將其轉(zhuǎn)子回路與一個整流器、一個直流耦合變換器和一個有源逆變器相連，使轉(zhuǎn)子回路的轉(zhuǎn)差頻率交流電流由半導體整流器整流為直流，再經(jīng)逆變器把直流變?yōu)楣ゎl交流送到交流電網(wǎng)中去。此時整流器和逆變器兩者組成了一個從轉(zhuǎn)差頻率轉(zhuǎn)換為工頻交流的變頻裝置。該異步發(fā)電機是作為一臺雙輸出感應發(fā)電機以超同步速度運行的。這種系統(tǒng)中異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組側(cè)接的整流器是不可控整流器，與轉(zhuǎn)子繞組接交交變頻器的雙饋調(diào)速系統(tǒng)比較，調(diào)節(jié)功能要小些，其中最主要的是不能調(diào)節(jié)定子側(cè)的無功功率，且因逆變器功率因數(shù)低，使整個系統(tǒng)的功率因數(shù)較低。2. 雙輸出異步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)特性為了使雙輸出異步發(fā)電機與普通異步發(fā)電機進行比較，可用實驗的方法驗證雙輸出異步發(fā)電機的性能。如果施加額定電壓，由于異步發(fā)電機的電流受到限制，就不可能獲得更多的實驗數(shù)據(jù)。同樣應當注意，電機達到失步之前，定子電流增加到超過其額定值時會使電機過熱，然而雙輸出異步發(fā)電機若使引起發(fā)熱的電流保持不變，在超過運行速度范圍時，也能在其額定發(fā)熱范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，這可通過改變變換器的觸發(fā)角來實現(xiàn)。從而，雙輸出感應發(fā)電機具有較高的功率因數(shù)，這是因為當保持電機氣隙磁通不變的情況下，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓的相位和幅值，就可以補償定子側(cè)的無功功率。這時，定子側(cè)的無功功率減少，轉(zhuǎn)子側(cè)的無功功率增大。這意味著當連接到電網(wǎng)時，雙輸出感應發(fā)電機是一臺較好的能量轉(zhuǎn)換器。雙輸出異步發(fā)電機的有功功率、功率因數(shù)和效率都比傳統(tǒng)的異步發(fā)電機的高，它在性能上具有明顯的優(yōu)勢，而且整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，可靠性高，能在較寬速度范圍內(nèi)工作。例如，當直流回路中電抗器的電感量足夠大時（Ld﹕大于或等于3Xp/ｗ0，Ld﹕——折算到轉(zhuǎn)子整流回路的平均電抗器的電感，Xp——折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的每相漏抗，ｗ0——定子側(cè)電源的頻率）時，逆變器的脈動電勢所引起的轉(zhuǎn)子脈動電流可以忽略不計，但當 Ld不滿足上述條件時，將會出現(xiàn)輕載時電流斷續(xù)的現(xiàn)象，使機械特性發(fā)生畸變。但通過選擇適當?shù)膮?shù)（如定子漏電感、轉(zhuǎn)子漏電感及勵磁電感、定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻），可以使諧波分量降低，脈動轉(zhuǎn)矩和銅耗均減少?？蓮母鞣N角度對整流電路進行分類，分類方法有：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種；按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路；按交流輸入相數(shù)可分為單相電路和多相電路；按變壓器二次側(cè)電流的方向可分為單向或雙向；又分為單拍電路和雙拍電路。為使變壓器鐵芯不飽和，需增大鐵芯截面積，增大了設(shè)備的容量。繞組及鐵心對銅、鐵等材料的消耗比單相全橋多，在當今世界上有色金屬資源有限的情況下，這是不利的。單相全波可控整流電路中，導電回路只含1個晶閘管，比單相橋少1個，因而也少了一次管壓降。c) 單相橋式半控整流電路的特點：該電路實用中需加設(shè)續(xù)流二極管VDR，以避免可能發(fā)生的失控現(xiàn)象。d) 電容濾波的單相不可控整流電路的特點：適用于交―直―交變頻器、不間斷電源、開關(guān)電源等應用場合中，常用于小功率單相交流輸入的場合。1) 所謂可控整流型開關(guān)穩(wěn)壓電源，是指采用可控硅整流元件作調(diào)整開關(guān)，由交流市電電網(wǎng)供電，可直接供電，也可經(jīng)過變壓器變壓后供電。 可控電流濾波脈沖控制電路 可控整流型開關(guān)穩(wěn)壓電源2) 所謂斬波型開關(guān)穩(wěn)壓電源指直流供電，輸入直流電壓加到開關(guān)電路上，在開關(guān)電路的輸出端得到單向的脈動直流，經(jīng)濾波得到與輸入電壓不同的穩(wěn)定的直流輸出電壓，從輸出電壓取樣，經(jīng)比較、放大、控制脈沖信號，控制調(diào)整開關(guān)的導通時間和截止時間的相對長短達到穩(wěn)壓的目的。調(diào)壓也是靠改變調(diào)整開關(guān)的導通和截止時間的相對長短來實現(xiàn)的。習慣上稱為直流變換器。嚴格地說，直流變換器包括隔離開關(guān)型穩(wěn)壓器，但為了通俗，還是采用直流變換器一詞。經(jīng)過逆變器將直流供電能量轉(zhuǎn)變成頻率很高的交流能量，再經(jīng)變壓器隔離、變壓（升壓或降壓），再整流，得到新的直流輸出電壓。逆變變壓整流濾波反饋控制ＵｉｉｉｉｉｉｉｉｉＵo 直流變換器方框圖根據(jù)本文的研究，采用可控整流型開關(guān)穩(wěn)壓電源電路。但是因為使用工頻變壓器，從而增大了體積、重量和成本。還有，逆變后電流也比較大，從而后級工頻變壓器的制作也比較困難。但是由于是新興技術(shù)，逆變時要精確確定電壓過零點和電流過零點，因此控制電路比較復雜、難以控制。有關(guān)資料表明，目前最大功率僅為300W。升壓電路可供選擇的電路結(jié)構(gòu)形式有多鐘，如升壓斬波器、升降壓斬波器、Cuk電路、單端反激式、雙端開關(guān)電源等。為了人身安全起見，一般選用輸入輸出有隔離的電路結(jié)構(gòu)。圖中是發(fā)電機出口電壓,是整流器出口電壓, 是逆變器入口電壓,U是負荷電壓,直流/ 直流轉(zhuǎn)換器用于兩個直流電源之間的電壓轉(zhuǎn)換,有帶電壓隔離和不帶電壓隔離兩種。數(shù)據(jù)輸入為測量值，計算結(jié)果與測量值在控制器中進行比較，校正后調(diào)節(jié)輸出，使輸出穩(wěn)定。由于電池的存在,使得發(fā)電機電壓和整流器電壓在短時間內(nèi)不會隨風速的變化而劇烈波動,但電池容量有限,一般用于小容量的孤島型風力發(fā)電系統(tǒng),在并網(wǎng)型供電形式中基本不采用。鎳鎘蓄電池：機械強度高，耐過充電及過放電且比能量較大等優(yōu)點，但價格按貴。但從系統(tǒng)的優(yōu)化角度考慮采用超導儲能單元更具優(yōu)越性。它由一個超導線圈,一個強制換向變換器和一個控制器組成。具有這種功能的超導儲能單元可被看作是一個由有功和無功控制器控制幅值和相位的可控電流源。雖然 SMES 價格較貴,但其容量大、響應快。隨著風力發(fā)電向規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,風力發(fā)電系統(tǒng)的供電形式必然由孤島型向并網(wǎng)型發(fā)展。 所示, 表示發(fā)電機出口母線電壓,所采用的超導儲能(SMES) 所示。是超導儲能作為電流源的輸出電流， 和是已變換的超導儲能(SMES) 裝置的電流和電壓偏差,是強制換向變換器的時間常數(shù), 是超導儲能線圈的電感, 和分別為電壓和電流的標幺值,是異步發(fā)電機的滑差