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隨著人類社會(huì)的發(fā)展，地球上煤炭、石油、天然氣等地下資源正面臨著枯竭的危險(xiǎn)，同時(shí)嚴(yán)重的環(huán)境污染也已成為威脅人類生存的主要問(wèn)題。發(fā)展利用風(fēng)能等可再生能源已成為我國(guó)長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略，目前我國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量?jī)H占我國(guó)可利用風(fēng)力資源0.1%，根據(jù)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》，風(fēng)電到2020年很可能超越核電，成為我國(guó)第三大發(fā)電形式。在風(fēng)力發(fā)電中如何提高風(fēng)能利用率及風(fēng)電質(zhì)量是至關(guān)重要的，是首先要面對(duì)并解決的工程技術(shù)。傳統(tǒng)“恒速恒頻”發(fā)電技術(shù)中風(fēng)力機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)速始終保持不變以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的頻率、電壓等電力要求，該技術(shù)只能在某一風(fēng)速下實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能利用[1]；在葉片等其他技術(shù)條件相同情況下，如實(shí)現(xiàn)在全部工作風(fēng)速或多個(gè)風(fēng)速值下風(fēng)力機(jī)均能實(shí)現(xiàn)最大的風(fēng)能利用，就可能較大地提高風(fēng)能利用率，“多級(jí)變速”風(fēng)力發(fā)電技術(shù)就是風(fēng)力機(jī)的葉輪能在多個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)多個(gè)風(fēng)速值轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在相應(yīng)風(fēng)速值下風(fēng)力機(jī)獲得最大的風(fēng)能利用，并輸出頻率恒定的電能 [2]，四級(jí)變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是“多級(jí)變速”技術(shù)的具體應(yīng)用。
一 四級(jí)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理
多級(jí)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由2臺(tái)發(fā)電機(jī)（發(fā)電機(jī)1和發(fā)電機(jī)2）、控制系統(tǒng)和變速機(jī)3部分組成，其技術(shù)原理如圖1所示。大功率的發(fā)電機(jī)2的定子繞組與電網(wǎng)連接，向電網(wǎng)輸送頻率為ft的工頻電流，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)控制系統(tǒng)與小功率的發(fā)電機(jī)1的定子繞組相連[1]。
大功率的發(fā)電機(jī)2只有在風(fēng)速較大（風(fēng)機(jī)輸入功率較大）時(shí)才和變速機(jī)聯(lián)接運(yùn)行。發(fā)電機(jī)2輸出的電流頻率不僅和轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速有關(guān)，還和輸入轉(zhuǎn)子繞組的電流頻率有關(guān)，具有將轉(zhuǎn)子的機(jī)械旋轉(zhuǎn)頻率和轉(zhuǎn)子繞組電路的電流頻率“相加”的功能，其定子繞組輸出“頻率相加”后的電流，這一特點(diǎn)簡(jiǎn)稱為“合頻”特性。
根據(jù)“合頻”特性，在圖1兩臺(tái)電機(jī)組合發(fā)電中，發(fā)電機(jī)2定子繞組輸出的電流頻率、發(fā)電機(jī)1定子繞組輸出的電流頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械旋轉(zhuǎn)頻率應(yīng)符合如下關(guān)系[3]：
f1= P1×fn1
ft= P2×fn2 + P1×fn1 （1）
式中：ft——發(fā)電機(jī)2定子繞組輸出的電流頻率，與電網(wǎng)頻率相同；
P2——發(fā)電機(jī)2的極對(duì)數(shù)；
fn2——發(fā)電機(jī)2的轉(zhuǎn)子機(jī)械旋轉(zhuǎn)頻率；
P1——發(fā)電機(jī)1的極對(duì)數(shù)；
fn1——發(fā)電機(jī)1的轉(zhuǎn)子機(jī)械旋轉(zhuǎn)頻率。
只要設(shè)計(jì)和控制好P1，fn1，P2，fn2這4個(gè)參數(shù)，完全可以使發(fā)電機(jī)2輸出的電流頻率保持為電網(wǎng)頻率或其他所需頻率，這4個(gè)參數(shù)主要由變速機(jī)機(jī)械變速和改變發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，利用發(fā)電機(jī)2“合頻”特性，通過(guò)變速機(jī)機(jī)械變速和改變發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)速變化時(shí)風(fēng)力機(jī)在多級(jí)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下能輸出恒定頻率的電能，以提高風(fēng)能的利用率。
由式（1）知，增加電機(jī)極對(duì)數(shù)，可降低機(jī)械旋轉(zhuǎn)頻率，相應(yīng)降低轉(zhuǎn)子及齒輪轉(zhuǎn)速，改善潤(rùn)滑條件，減少維護(hù)費(fèi)用。[4]小功率的發(fā)電機(jī)1的額定功率約為發(fā)電機(jī)2額定功率的1/4，其電機(jī)極對(duì)數(shù)一般可以變化。當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，變速機(jī)只帶動(dòng)發(fā)電機(jī)1工作，發(fā)電機(jī)2脫開(kāi)與變速機(jī)的連接停止工作，發(fā)電機(jī)1發(fā)出的電流經(jīng)控制系統(tǒng)切換，直接輸?shù)诫娋W(wǎng)或其他電路，由此提高了發(fā)電機(jī)發(fā)電效率，延長(zhǎng)了大功率發(fā)電機(jī)2的壽命；當(dāng)風(fēng)速較大（風(fēng)機(jī)輸入功率較大）時(shí)，2臺(tái)發(fā)電機(jī)經(jīng)變速機(jī)帶動(dòng)都發(fā)電工作，且發(fā)電機(jī)1發(fā)出的電流經(jīng)控制系統(tǒng)輸入到發(fā)電機(jī)2的轉(zhuǎn)子繞組電路進(jìn)行“合頻”，結(jié)合變速機(jī)機(jī)械變速、改變電機(jī)極對(duì)數(shù)等方法，使風(fēng)力發(fā)電裝置輸出的電流頻率仍保持電網(wǎng)頻率。
控制系統(tǒng)主要起到電流切換、改變電機(jī)極對(duì)數(shù)、控制發(fā)電機(jī)1輸向發(fā)電機(jī)2的電流頻率等參數(shù)、控制發(fā)電機(jī)2轉(zhuǎn)子電路電阻值等作用。改變電阻值可控制電機(jī)的滑差率，使得風(fēng)速及風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在小范圍變化時(shí)發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流頻率仍保持恒定[4]。
二 四級(jí)變速風(fēng)力發(fā)電實(shí)例
設(shè)工作風(fēng)速為5.5m/s（啟動(dòng)風(fēng)速）到16.5m/s（較大風(fēng)速），在啟動(dòng)風(fēng)速5.5m/s處葉輪轉(zhuǎn)速為100rpm時(shí)葉輪當(dāng)量葉尖速比為4，此時(shí)風(fēng)能利用率為最大（按0.3計(jì)），要實(shí)現(xiàn)工作風(fēng)速范圍內(nèi)若干風(fēng)速點(diǎn)（5.5m/s，8.25m/s，11m/s，16.5m/s共4檔風(fēng)速，故稱為四級(jí)變速）仍達(dá)到最大風(fēng)能利用率，即葉輪當(dāng)量葉尖速比為4，可按（1）設(shè)計(jì)機(jī)械增速比和發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)，由于要保持相同的葉尖速比，對(duì)應(yīng)的葉輪轉(zhuǎn)速須同比例變化，分別為100 rpm、150 rpm、200 rpm、300 rpm，葉輪工作頻率為葉輪轉(zhuǎn)速的1/60。為減少齒輪箱成本，提高系統(tǒng)變速自動(dòng)化程度，葉輪到發(fā)電機(jī)2設(shè)計(jì)為1級(jí)機(jī)械變速，速比為5；葉輪到發(fā)電機(jī)1設(shè)計(jì)為1級(jí)機(jī)械變速，速比為2.5；發(fā)電機(jī)為雙速發(fā)電機(jī)[4]，發(fā)電機(jī)2的極對(duì)數(shù)分別為6和2，發(fā)電機(jī)1的極對(duì)數(shù)分別為4和2，發(fā)電機(jī)2的功率約為發(fā)電機(jī)1的1/4。具體關(guān)系如表1所示。
由表1可知（不考慮電機(jī)滑差率），在風(fēng)速11m/s及8.25m/s處，2個(gè)發(fā)電機(jī)利用“合頻”特性聯(lián)合發(fā)電，發(fā)電機(jī)2的輸出接入發(fā)電機(jī)1的轉(zhuǎn)子電路。在具體應(yīng)用中，當(dāng)風(fēng)速為7及以下時(shí)可用第1種方式，即發(fā)電機(jī)2（6極）單獨(dú)發(fā)電；當(dāng)風(fēng)速為7上到9.5時(shí)可用第2種方式，即發(fā)電機(jī)2（2極）與發(fā)電機(jī)1（4極）聯(lián)合發(fā)電；當(dāng)風(fēng)速為9.5以上到13時(shí)可用第3種方式，即發(fā)電機(jī)2（2極）與發(fā)電機(jī)1（2極）聯(lián)合發(fā)電；當(dāng)風(fēng)速為13以上時(shí)可用第4種方式，即發(fā)電機(jī)2（2極）及發(fā)電機(jī)1（4極）單獨(dú)發(fā)電。
三 結(jié)論
四級(jí)變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)利用改變發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)及大小2個(gè)發(fā)電機(jī)的相互配合，達(dá)到在4個(gè)風(fēng)速點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大利用，根據(jù)統(tǒng)計(jì)如果變速恒頻風(fēng)力發(fā)電在整個(gè)工作風(fēng)速范圍內(nèi)風(fēng)能利用量為1個(gè)單位，則四級(jí)變速風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能利用量能達(dá)到80%左右，恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能利用量約為40%。
而且與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)比還有其他優(yōu)點(diǎn)，相比恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的增速箱，多級(jí)變速風(fēng)力發(fā)電的變速器為低速變速箱，降低了潤(rùn)滑要求，減少了維護(hù)費(fèi)用；由于風(fēng)速不大、風(fēng)機(jī)輸入功率較小時(shí)，只有小功率發(fā)電機(jī)2起發(fā)電作用，不存在“大功率發(fā)小電”現(xiàn)象，提高了發(fā)電機(jī)的效率，延長(zhǎng)了大功率發(fā)電機(jī)1的壽命。
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