2 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理 
   
    風(fēng)力發(fā)電機組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機械。從能量轉(zhuǎn)換的角度看，風(fēng)力發(fā)電機組由兩大部分組成：其一是風(fēng)力機，它的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能；其二是發(fā)電機，它的功能是將機械能轉(zhuǎn)換為電能[3]。
   
    小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它一般由風(fēng)輪、發(fā)電機、尾舵和電氣控制部分等構(gòu)成。常規(guī)的小型風(fēng)力發(fā)電機組多由感應(yīng)發(fā)電機或永磁同步發(fā)電機加AC/DC變換器、蓄電池、逆變器組成[4]。在風(fēng)的吹動下，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動起來，使空氣動力能轉(zhuǎn)變成了機械能（轉(zhuǎn)速+扭矩）。風(fēng)輪的輪轂固定在發(fā)電機軸上，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動驅(qū)動了發(fā)電機軸的旋轉(zhuǎn)，帶動永磁三相發(fā)電機發(fā)出三相交流電。風(fēng)速的不斷變化、忽大忽小，發(fā)電機發(fā)出的電流和電壓也隨著變化。發(fā)出的電經(jīng)過控制器的整流，由交流電變成了具有一定電壓的直流電，并向蓄電池進行充電。從蓄電池組輸出的直流電，通過逆變器后變成了220V的交流電，供給用戶的家用電器。
   
    風(fēng)力發(fā)電機根據(jù)應(yīng)用場合的不同又分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型風(fēng)力機。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機亦稱獨立運行風(fēng)力機，是應(yīng)用在無電網(wǎng)地區(qū)的風(fēng)力機，一般功率較小。獨立運行風(fēng)力機一般需要與蓄電池和其他控制裝置共同組成獨立運行風(fēng)力機發(fā)電系統(tǒng)。這種獨立運行系統(tǒng)可以是幾kW乃至幾十kw，解決一個村落的供電系統(tǒng)，也可以是幾十到幾百W的小型風(fēng)力發(fā)電機組以解決一家一戶的供電。

    3 小型風(fēng)力發(fā)電機的電力變換裝置 

　　由于風(fēng)能的隨機性，發(fā)電機所發(fā)出電能的頻率和電壓都是不穩(wěn)定的，以及蓄電池只能存儲直流電能，無法為交流負(fù)載直接供電。因此，為了給負(fù)載提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的電能和滿足交流負(fù)載用電，需要在發(fā)電機和負(fù)載之間加入電力變換裝置，這種電力變換裝置主要由整流器、逆變器、控制器、蓄電池等組成[5][6]。

　　3.1 整流器

　　整流器的主要功能是對風(fēng)力發(fā)電機輸出的三相交流電進行整流，整流后的直流電經(jīng)過控制器再對蓄電池進行充電。一般采用的都是三相橋式整流電路。在風(fēng)電支路中整流器的另外一個重要的功能是，在外界風(fēng)速過小或者基本沒風(fēng)的情況下，風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率也較小，由于三相整流橋的二極管導(dǎo)通方向只能是由風(fēng)力發(fā)電機的輸出端到蓄電池，所以防止了蓄電池對風(fēng)力發(fā)電機的反向供電。

　　獨立運行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，有風(fēng)輪驅(qū)動的交流發(fā)電機，需要配以適當(dāng)?shù)恼�流器，才能對蓄電池充電。根�?jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容量不同，整流器分為可控與不可控兩種。可控整流器主要應(yīng)用在功率較大的系統(tǒng)中，可以減小電感過大帶來的體積大、損耗大等缺點；不可控整流器主要應(yīng)用于小功率系統(tǒng)中。

　　3.2 逆變器

　　逆變器是在電力變換過程中經(jīng)常使用到的一種電力電子裝置，它的主要作用就是將蓄電池存儲的或由整流橋輸出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)載所能使用的交流電。目前獨立運行小型風(fēng)電系統(tǒng)的逆變器多數(shù)為電壓型單相橋式逆變器。在風(fēng)力發(fā)電中所使用的逆變器要求具有較高的效率，特別是輕載時的效率要高，這是因為風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常運行在輕載狀態(tài)。另外，由于輸入的蓄電池電壓隨充、放電狀態(tài)改變而變動較大，這就要求逆變器能在較大的直流電壓變化范圍內(nèi)正常工作，而且要保證輸出電壓的穩(wěn)定[7]。

　　過去風(fēng)力機的控制器和逆變器是分開的，現(xiàn)在多數(shù)廠家都采用控制器和逆變器一體化的方案。控制器將發(fā)電機發(fā)出的交流電整流后，充入蓄電池組。逆變器將蓄電池組輸出的直流電轉(zhuǎn)換成220V交流電，并提供給用電器[8]。

　　逆變器按輸人方式分為兩種：

　　（1）直流輸入型：逆變器輸入端直接與電瓶連接的產(chǎn)品；

　　（2）交流輸入型：逆變器輸入端與風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機交流輸出端連接的產(chǎn)品，即控制、逆變一體化的產(chǎn)品。

　　逆變器的保護功能有：

　　（1）過充保護：當(dāng)風(fēng)速持續(xù)較高，蓄電池充電很足，蓄電池組電壓超過額定電壓1.25倍時，控制器停止向蓄電池充電，多余的電流流向卸荷器。

　　（2）過放保護：當(dāng)風(fēng)速長期較低，蓄電池充電不足，蓄電池組電壓低于額定電壓0.85倍時，逆變器停止工作，不再向外供電。當(dāng)風(fēng)速再增高，蓄電池組電壓恢復(fù)到額定電壓的1.1倍時，逆變器自動恢復(fù)工作、向外供電。

　　3.3 蓄電池[9][10]

　　在獨立運行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，廣泛采用蓄電池作為蓄能裝置。蓄電池的作用是當(dāng)風(fēng)力較強或負(fù)荷減小時，可以將來自風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電能中的一部分儲存在蓄電池中，也就是向蓄電池充電。當(dāng)風(fēng)力較弱、無風(fēng)或用電負(fù)荷增大時，儲存在蓄電池中的電能向負(fù)荷供電，以補足風(fēng)力發(fā)電機所發(fā)電能的不足，達(dá)到維持向負(fù)荷持續(xù)穩(wěn)定供電的作用。

　　蓄電池主要有普通蓄電池、堿性鎘鎳蓄電池以及閥控式密封鉛酸蓄電池三類。普通鉛酸蓄電池由于具有使用壽命短、效率低、維護復(fù)雜、所產(chǎn)生的酸霧污染環(huán)境等問題，其使用范圍很有限，目前已逐漸被閥控式密封鉛酸蓄電池所淘汰。閥控式密封鉛酸蓄電池整體采用密封結(jié)構(gòu)，不存在普通鉛酸蓄電池的氣漲、電解液滲漏等現(xiàn)象，使用安全可靠、壽命長，正常運行時無須對電解液進行檢測和調(diào)酸加水，又稱為免維護蓄電池，目前已被廣泛地應(yīng)用到郵電通信、船舶交通、應(yīng)急照明等許多領(lǐng)域。堿性鎘鎳蓄電池的特點是體積小、放電倍率高、運行維護簡單、壽命長，但由于它單體電壓低、易漏電、造價高且容易對環(huán)境造成污染，因而其使用受到限制，現(xiàn)主要應(yīng)用在電動工具及各種便攜式電子裝置上。

　　目前在大多數(shù)風(fēng)電系統(tǒng)或太陽能光伏系統(tǒng)中采用的都是閥控式密封鉛酸蓄電池。蓄電池是影響風(fēng)電系統(tǒng)壽命的關(guān)鍵因素，對閥控式密封鉛酸蓄電池充放電的控制直接影響蓄電池的壽命，不合理的充放電將直接導(dǎo)致蓄電池的崩潰。在大多數(shù)的風(fēng)電系統(tǒng)中，都是由CPU來監(jiān)測并控制蓄電池的充放電過程，較多采用分階段法來優(yōu)化充電過程。因為分階段充電過程符合閥控式密封鉛酸蓄電池的特性，能很好地保護蓄電池，延長其使用壽命。

　　4  最大輸出功率調(diào)節(jié)方式

　　在風(fēng)力發(fā)電中，由于風(fēng)速變幻莫測，使對其的利用存在一定的困難。風(fēng)速的變化使風(fēng)力機輸出機械功率發(fā)生變化，從而使發(fā)電機輸出功率產(chǎn)生波動而使電能質(zhì)量下降，使風(fēng)力發(fā)電機的輸出電能質(zhì)量穩(wěn)定成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的重要問題。所以改善風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，提高風(fēng)力發(fā)電機組的效率，對于最充分地利用風(fēng)能資源有著十分重要的意義。

　　根據(jù)風(fēng)力發(fā)電供電方式的不同將功率輸出定性地分為兩類：調(diào)節(jié)機械功率，在風(fēng)力機控制回路加調(diào)節(jié)裝置使風(fēng)力機輸出機械功率穩(wěn)定；調(diào)節(jié)電功率，在發(fā)電機的控制部分加入反饋，使用快速響應(yīng)的控制器和優(yōu)化控制策略來控制發(fā)電機輸出功率[11]。

　　4.1 定漿距失速調(diào)節(jié)

　　失速調(diào)節(jié)方式是指漿葉本身所具有的失速特性，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，氣流的攻角增大到失速條件，使?jié){葉的表面產(chǎn)生渦流，降低葉片氣動效率，影響能量捕獲。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率控制擾動法失速調(diào)節(jié)一般用于恒速運行的風(fēng)力發(fā)電機中[11-13]。

　　4.2 變漿距調(diào)節(jié)

　　為了提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證風(fēng)力機輸出功率平穩(wěn)，可以通過漿距調(diào)節(jié)使風(fēng)力機適應(yīng)風(fēng)速的變化，達(dá)到最優(yōu)的功率輸出。變漿距風(fēng)力發(fā)電機組不完全依靠葉片的氣動特性，而主要是依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來調(diào)節(jié)風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率。在靜止時節(jié)距角為90°，這時氣流對槳葉不產(chǎn)生力矩，整個槳葉相當(dāng)于一塊阻尼板。當(dāng)達(dá)到啟動風(fēng)速時，槳葉向0°方向轉(zhuǎn)動，氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，葉輪開始轉(zhuǎn)動。在額定風(fēng)速以下時，葉片的攻角處于0°附近，此時葉片角度受控制精度的影響，變化范圍很小，可等同于定漿矩風(fēng)機。在額定風(fēng)速以上時，變漿距機構(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整葉片攻角，保證發(fā)電機的功率在允許范圍之內(nèi)。變漿距風(fēng)力機啟動風(fēng)速比較低，這對增加發(fā)電量幾乎沒有什么意義，停機時對傳動機構(gòu)沖擊小，風(fēng)力機正常工作時主要采用功率控制[11-13]。

　　4.3 主動失速調(diào)節(jié)

　　這種調(diào)節(jié)方式是前兩種功率調(diào)節(jié)方式的組合。在低風(fēng)速時，采用變漿距調(diào)節(jié)，可達(dá)到更高的氣動效率；當(dāng)風(fēng)機達(dá)到額定功率后，風(fēng)機按照變漿距調(diào)節(jié)時風(fēng)機調(diào)節(jié)漿距相反的方向改變漿距，這種調(diào)節(jié)將引起葉片攻角的變化，從而導(dǎo)致更深層次的失速，可使功率輸出更加平滑。這種調(diào)節(jié)方式綜合前兩種調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點，類似變漿距調(diào)節(jié)，但不需要很靈敏的調(diào)節(jié)速度，大風(fēng)時，整個機組受到的沖擊也較小[13]。

　　5  結(jié)束語

　　小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為農(nóng)村能源的組成部分，它的推廣應(yīng)用對于改善用電結(jié)構(gòu)，特別是邊遠(yuǎn)山區(qū)的生產(chǎn)、生活用能，推動生態(tài)環(huán)境建設(shè)諸領(lǐng)域的發(fā)展將發(fā)揮積極作用，因此具有廣闊的市場前景。風(fēng)能具有隨機性和不確定性，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)。簡化小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、降低成本、提高可靠性及實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運行，對于小型風(fēng)力風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的推廣具有非常重要意義。

　　參考文獻

　　[1]張春友,田德,王海寬.我國小型風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].農(nóng)村牧區(qū)機械化,2008(2)：38-39.

　　[2]李德孚.小型風(fēng)力發(fā)電行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù),2007(1):47-50.

　　[3]鄧可蘊.戶用小型風(fēng)力發(fā)電機使用與維護[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社,2006.

　　[4]劉萬琨.風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

　　[5]倪受元.風(fēng)力發(fā)電講座第一講~第五講[J].太陽能,2000(2~4),2001(l~3).

　　[6]Tony Burton, David Sharpe, NICk Jenkins. Wind Enegry HnadBook[M]，2001.

　　[7]張興,陳玲,楊淑英.離網(wǎng)型小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)逆變器的控制[J].電力系統(tǒng)自動化.2008(23):95-99.

　　[8]許頗,張興,張崇巍.采用Z源變換器的小型風(fēng)力并網(wǎng)逆變系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報.2008(4):93-97.

　　[9]王承煦,張源.風(fēng)力發(fā)電[M].北京:中國電力出版社,2003.

　　[10]葉杭治.風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

　　[11]陳星鶯,劉孟覺,單淵達(dá).風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化輸出技術(shù)的研究[J].電力自動化設(shè)備.2000(5):7-10.

　　[12]潘文霞,陳允平,沈祖詒.風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展現(xiàn)狀[J].中小型電機.2001,28(4):38-41.

　　[13]武鑫,趙斌.并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組的調(diào)節(jié)控制[J].太陽能.2003(4):24-25.

　　[14]金如麟,譚茀娃.小型風(fēng)力發(fā)電機的最大輸出功率[J].中小型電機.2000(2)：37-39.

　　[15]Erickson RW. Fundamentals of power eleCTRonics[M]. 2nded. Norwell, USA: Kluwer AcadEMIc, 2001.

　　[16]Teodorescu R, Blaabjerg F. Flexible Control of Small Wind Turbines with Grid Failure Detection Operating in Stand Alone and Grid Connected Mode. IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, 19(5):1323～1332.

　　[17]Wang Q, chang L.An Intelligent Maximum Power Extraction Algorithm for Inverter-Based Variable Speed Wind Turbine System. IEEE Transaction on Power Electronics, 2004,19(5):1242～1249.