风力发电系统的拓扑结构

二、试论述现有风力发电系统的拓扑结构及各自特点。

风力发电系统主要有三种运行方式：一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，采用蓄电池进行蓄能；二是风力发电与其他发电方式（如太阳能发电）相结合形成互补发电系统向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力。

（一）独立运行的风力发电系统

风力发电机组独立运行是一种比较简单的运行方式。由于风能的不稳定性，需要配置充电装置，最普遍使用的充电装置为蓄电池，当风力发电机在运转时，为用电装置提供电力，同时将多余的电能向蓄电池充电。根据供电系统的不同可分为直流系统和交流系统。

1、直流系统

独立运行的直流风力发电系统为由一个风力机驱动的小型直流发电机经蓄电池蓄能装置想电阻性负载供电。当风力减小，风力机转速降低，致使直流发电机电压低于蓄电池组电压时，发电机不能对蓄电池充电，而蓄电池却要向发电机反向送电。为了防止这种情况的发生，在发电机电枢电路与蓄电池组之间装有由逆流继电器控制的动断出点，当直流发电机电压低于蓄电池组电压时，逆流继电器工作断开动断触点，使蓄电池不能向发电机反向供电。如图1-1所示。

图1-1 独立运行的直流风力发电系统

2、交流系统

如果在蓄电池的正负极两端直接接上直流负载，则构成了一个由交流发电机经整流器组成整流后向蓄电池充电及向直流负载供电的系统。如图1-2所示。如果在蓄电池的正负极接上逆变器，则可向交流负载供电。如图1-3所示。

图1-2 交流发电机向直流负载供电

图1-3 交流发电机向交流负载供电

独立运行的风力发电系统特点：结构简单，规模小，但只能向独立的小用户提供电力。

（二）互补运行的风力发电系统

在互补运行的风力发电系统中，除了有风力发电装置之外，还带有一套备用的发电系统，经常采用的是柴油机，也有利用太阳能电池。风力发电机和柴油发电机构成一个混合系统。在风力发电机不能提供足够的电力时由柴油机提供备用的电力，以实现连续、稳定的供电。

主要特点是：一是系统可靠性高。互补运行发电系统综合了至少两个发电系统的特点，取长补短，相互补充，更好地保证了供电系统的可靠性；二是由于综合了多个发电系统的优势，互补运行发电系统从经济性、可靠性等方面进行更加科学、合理的配置。

（三）并网运行的风力发电系统

根据发电机的运行特征和控制技术，并网型风力发电系统可分为恒速恒频发电和变速恒频发电两大类。

1、恒速恒频发电机的并网运行

恒速恒频风力发电系统的基本结构如图1-4所示。随着风速的变化，发电机输出频率变化较小，而且叶片转速变化范围也很小，看上去叶片似乎是在“恒速”旋转。目前常用于这种恒速风力机系统的功率控制方式为变桨距控制。其工作特性为：在额定风速以下时，桨距角保持零度附近，可认为等同于定桨距风力发电机，发电机的输出功率随风速的变化而变化；当风速达到额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整桨距角，保证发电机的输出功率在允许的范围内。它的主要优点是桨叶受力较小，因而可以做得比较轻巧，并且可以尽可能多的捕获风能，提高发电量；其缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。

图1-4 恒速恒频发电系统

恒速恒频风力发电系统具有结构简单、成本低、过载能力强以及运行可靠性高等优点。主要缺点：一是风力机转速不能随风速而变，从而降低了对风能的利用率；二是当风速突变时，巨大的风力传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，在这些部件上产生很大的机械应力；三是并网时可能产生巨大的冲击电流。

而在变速恒频中，发电机的转速是可以随风速变化的，变速恒频风力发电系统主要有两种类型，一种是双馈型异步发电机，一种是风力机直接驱动同步发电机。如图1-5为风轮机直接驱动的同步发电机系统，在此系统构成的变速恒频发电系统中，风力机直接与发电机相连，不需要齿轮箱升速，发电机输出电压的频率随转速变化而变化，通过交-直-交或交-交变频器与电网相连，在电网侧得到频率恒定的电压。

图1-5 风轮机直接驱动的同步发电机系统

如图1-6为双馈感应发电机系统，它基本结构包括绕线式异步发电机、变频

器和控制环节，其定子绕组直接接入电网，转子采用三相对称绕组。发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和通过逆变器从转子输出的功率。当风力机运行在超同步速度时，功率从转子流向电网；而当运行在亚同步速度时，功率从定子流向转子。

如图1-6 双馈感应发电机系统

与传统的恒速恒频风力发电系统相比，变速恒频系统具有如下优点：

（1）风能转换效率高。变速运行风力机以最佳叶尖速比、最大功率点运行，提高了风力机的运行效率，与恒速恒频风电系统相比，理论上年发电量一般可提高20％以上。变速运行的风力机不但年运行小时数较高，而且输出功率上限也比恒速运行的风力机要高。

（2）采用变速恒频发电技术，可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，当风速跃升时，能吸收阵风能量，把能量储存在机械惯性中，减少阵风冲击对风力机带来的疲劳损坏，减少机械应力和转子脉动，延长风力机寿命。当风速下降时，高速运转的风轮能量便释放出来变为电能送给电网。

（3）通过矢量控制调节励磁，可以实现发电机输出有功功率和无功功率的独立调节。在实现最大风能捕获的同时，还可以调节电网功率因数，提高了电力系统的动静态性能和稳定性。由于采用了交流励磁，变速恒频发电方式可以实现发电机和电力系统的柔性连接，并网相对容易而且并网运行后一般不会发生失步。

（4）采用变速恒频发电技术，可使变桨距调节简单化。变速运行放宽了对桨距控制响应速度的要求。在低风速时，桨距角固定；在高风速时，调节桨距角限制最大输出功率。

（5）较宽的转速运行范围，以适应由于风速变化引起的风力机转速的变化。采用先进的PWM技术，可抑制谐波，减小开关损耗，提高效率，降低成本。双馈电机可通过调节转子励磁电流实现软并网，避免并网时发生的电流冲击和过大的电压波动。