基于風力發電系統的電能變換裝置研究

O 引言
伴隨著經濟的發展及人口的增長，人類對能源的需求增加，而以煤炭、石油為主的常規能源存在有限性，且污染和破壞自然環境。風能是一種清潔的可再生能源，并且資源豐富，有著無需開采、運輸的特點。目前風力發電系統分非直驅風力發電系統和直驅風力發電系統，前者主要采用齒輪箱對風輪機提速后，驅動常規異步發電機，而直驅風力發電在整個體系結構中，由于省去了增速齒輪箱，減小了風力發電機的體積和重量，省去了維護，降低了風力發電機的運行噪聲，所以研究直驅風力發電系統的電能變換裝置對提高風電轉換效率及開發風力發電技術的推廣，有著重要的社會效益和經濟效益。

1 常規直驅風力發電系統的特性
直驅風力發電系統采用低速的永磁同步發電機取代了異步發電機，在永磁直驅風力發電系統中，風輪機將捕獲的風能以機械能的形式驅動永磁發電機，永磁發電機的轉速隨著風速的變化而進行變化，發出電壓和頻率都變化的電能，需要經過電能變換電路輸出恒壓恒頻的電能。現階段常規離網型戶用風力發電系統的基本結構如圖1所示。

風速的時變性，使得風力發電機的電壓及頻率變化，不易于直接被負載利用，所以目前的獨立運行風力發電系統通過“交流-直流-交流”的轉換方式供電，且要考慮風速很弱及無風的情況，系統的裝置中使用了蓄電池進行儲能。先用整流器將發電機的交流電變成直流電向蓄電池充電，再用逆變器將直流電變換成電壓和頻率穩定的交流電輸出供給負載使用。系統的能量傳輸分配中要經過兩次能量轉換：電能-化學能-電能，能量的利用率偏低，且由于風力發電發出的能量較小，往往達不到負載需求的電能。

2 改造后的直驅風力發電系統
2．1 風力發電系統的基本組成
針對直驅風力發電的特性，研究設計的風力發電系統應由風輪機、永磁同步發電機、電能變換裝置(整流器、直流調壓裝置、逆變器)、控制器、泄能負載、蓄電池、制動剎車裝置和用戶負載等組成，其設計研究的永磁直驅風力發電系統的結構組成原理圖如圖2所示。