1  前言 
   
    作為一種價格低廉、運行可靠、無溫室氣體排放的新型發電係統，風力發電係統的安裝容量正在以每年超過30%的增長率在世界範圍得到日益廣泛的應用，已經形成一個年產值超過五十億美元的全球性產業。目前安裝的風力發電係統大多是MW級與電網互聯的大型風機係統，該行業的技術經過不斷完善已日臻成熟。但是用於邊遠地區獨立供電的小型風力發電係統還需要克服很多技術上的難點才能得以廣泛的應用。隨著我國對“三農”投入力度加大，經濟持續快速發展，廣大農、牧、漁民對改善生活環境，提高生活質量，解決生活用電的迫切要求，采用小型風力發電係統為局部負載提供電力，不僅可以減少一次性巨額投資，還可以免除火力發電係統的溫室氣體排放，改善環境和農村地區的能源結構，有益於可持續性發展[1][2]。

    2 小型風力發電係統總體(ti) 結構及工作原理 
   
    風力發電機組是將風能轉化為(wei) 電能的機械。從(cong) 能量轉換的角度看，風力發電機組由兩(liang) 大部分組成：其一是風力機，它的功能是將風能轉換為(wei) 機械能；其二是發電機，它的功能是將機械能轉換為(wei) 電能[3]。
   
    小型風力發電係統結構如圖1所示。它一般由風輪、發電機、尾舵和電氣控製部分等構成。常規的小型風力發電機組多由感應發電機或永磁同步發電機加AC/DC變換器、蓄電池、逆變器組成[4]。在風的吹動下，風輪轉動起來，使空氣動力能轉變成了機械能（轉速+扭矩）。風輪的輪轂固定在發電機軸上，風輪的轉動驅動了發電機軸的旋轉，帶動永磁三相發電機發出三相交流電。風速的不斷變化、忽大忽小，發電機發出的電流和電壓也隨著變化。發出的電經過控製器的整流，由交流電變成了具有一定電壓的直流電，並向蓄電池進行充電。從(cong) 蓄電池組輸出的直流電，通過逆變器後變成了220V的交流電，供給用戶的家用電器。
   
    風力發電機根據應用場合的不同又分為(wei) 並網型和離網型風力機。離網型風力發電機亦稱獨立運行風力機，是應用在無電網地區的風力機，一般功率較小。獨立運行風力機一般需要與(yu) 蓄電池和其他控製裝置共同組成獨立運行風力機發電係統。這種獨立運行係統可以是幾kW乃至幾十kw，解決(jue) 一個(ge) 村落的供電係統，也可以是幾十到幾百W的小型風力發電機組以解決(jue) 一家一戶的供電。

   

    3 小型風力發電機的電力變換裝置 

　　由於(yu) 風能的隨機性，發電機所發出電能的頻率和電壓都是不穩定的，以及蓄電池隻能存儲(chu) 直流電能，無法為(wei) 交流負載直接供電。因此，為(wei) 了給負載提供穩定、高質量的電能和滿足交流負載用電，需要在發電機和負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、控製器、蓄電池等組成[5][6]。

　　3.1 整流器

　　整流器的主要功能是對風力發電機輸出的三相交流電進行整流，整流後的直流電經過控製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。在風電支路中整流器的另外一個(ge) 重要的功能是，在外界風速過小或者基本沒風的情況下，風力發電機的輸出功率也較小，由於(yu) 三相整流橋的二極管導通方向隻能是由風力發電機的輸出端到蓄電池，所以防止了蓄電池對風力發電機的反向供電。

　　獨立運行的小型風力發電係統中，有風輪驅動的交流發電機，需要配以適當的整流器，才能對蓄電池充電。根據風力發電係統的容量不同，整流器分為(wei) 可控與(yu) 不可控兩(liang) 種。可控整流器主要應用在功率較大的係統中，可以減小電感過大帶來的體(ti) 積大、損耗大等缺點；不可控整流器主要應用於(yu) 小功率係統中。

　　3.2 逆變器

　　逆變器是在電力變換過程中經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(chu) 的或由整流橋輸出的直流電轉變為(wei) 負載所能使用的交流電。目前獨立運行小型風電係統的逆變器多數為(wei) 電壓型單相橋式逆變器。在風力發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(wei) 風電發電係統經常運行在輕載狀態。另外，由於(yu) 輸入的蓄電池電壓隨充、放電狀態改變而變動較大，這就要求逆變器能在較大的直流電壓變化範圍內(nei) 正常工作，而且要保證輸出電壓的穩定[7]。

　　過去風力機的控製器和逆變器是分開的，現在多數廠家都采用控製器和逆變器一體(ti) 化的方案。控製器將發電機發出的交流電整流後，充入蓄電池組。逆變器將蓄電池組輸出的直流電轉換成220V交流電，並提供給用電器[8]。

　　逆變器按輸人方式分為(wei) 兩(liang) 種：

　　（1）直流輸入型：逆變器輸入端直接與(yu) 電瓶連接的產(chan) 品；

　　（2）交流輸入型：逆變器輸入端與(yu) 風力發電機組的發電機交流輸出端連接的產(chan) 品，即控製、逆變一體(ti) 化的產(chan) 品。

　　逆變器的保護功能有：

　　（1）過充保護：當風速持續較高，蓄電池充電很足，蓄電池組電壓超過額定電壓1.25倍時，控製器停止向蓄電池充電，多餘(yu) 的電流流向卸荷器。

　　（2）過放保護：當風速長期較低，蓄電池充電不足，蓄電池組電壓低於(yu) 額定電壓0.85倍時，逆變器停止工作，不再向外供電。當風速再增高，蓄電池組電壓恢複到額定電壓的1.1倍時，逆變器自動恢複工作、向外供電。

　　3.3 蓄電池[9][10]

　　在獨立運行的小型風力發電係統中，廣泛采用蓄電池作為(wei) 蓄能裝置。蓄電池的作用是當風力較強或負荷減小時，可以將來自風力發電機發出的電能中的一部分儲(chu) 存在蓄電池中，也就是向蓄電池充電。當風力較弱、無風或用電負荷增大時，儲(chu) 存在蓄電池中的電能向負荷供電，以補足風力發電機所發電能的不足，達到維持向負荷持續穩定供電的作用。

　　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。普通鉛酸蓄電池由於(yu) 具有使用壽命短、效率低、維護複雜、所產(chan) 生的酸霧汙染環境等問題，其使用範圍很有限，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(ti) 采用密封結構，不存在普通鉛酸蓄電池的氣漲、電解液滲漏等現象，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酸加水，又稱為(wei) 免維護蓄電池，目前已被廣泛地應用到郵電通信、船舶交通、應急照明等許多領域。堿性鎘鎳蓄電池的特點是體(ti) 積小、放電倍率高、運行維護簡單、壽命長，但由於(yu) 它單體(ti) 電壓低、易漏電、造價(jia) 高且容易對環境造成汙染，因而其使用受到限製，現主要應用在電動工具及各種便攜式電子裝置上。

　　目前在大多數風電係統或太陽能光伏係統中采用的都是閥控式密封鉛酸蓄電池。蓄電池是影響風電係統壽命的關(guan) 鍵因素，對閥控式密封鉛酸蓄電池充放電的控製直接影響蓄電池的壽命，不合理的充放電將直接導致蓄電池的崩潰。在大多數的風電係統中，都是由CPU來監測並控製蓄電池的充放電過程，較多采用分階段法來優(you) 化充電過程。因為(wei) 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  最大輸出功率調節方式

　　在風力發電中，由於(yu) 風速變幻莫測，使對其的利用存在一定的困難。風速的變化使風力機輸出機械功率發生變化，從(cong) 而使發電機輸出功率產(chan) 生波動而使電能質量下降，使風力發電機的輸出電能質量穩定成為(wei) 風力發電技術中的重要問題。所以改善風力發電技術，提高風力發電機組的效率，對於(yu) 最充分地利用風能資源有著十分重要的意義(yi) 。

　　根據風力發電供電方式的不同將功率輸出定性地分為(wei) 兩(liang) 類：調節機械功率，在風力機控製回路加調節裝置使風力機輸出機械功率穩定；調節電功率，在發電機的控製部分加入反饋，使用快速響應的控製器和優(you) 化控製策略來控製發電機輸出功率[11]。

　　4.1 定漿距失速調節

　　失速調節方式是指漿葉本身所具有的失速特性，當風速高於(yu) 額定風速時，氣流的攻角增大到失速條件，使漿葉的表麵產(chan) 生渦流，降低葉片氣動效率，影響能量捕獲。小型風力發電係統最大功率控製擾動法失速調節一般用於(yu) 恒速運行的風力發電機中[11-13]。

　　4.2 變漿距調節

　　為(wei) 了提高風能轉換效率和保證風力機輸出功率平穩，可以通過漿距調節使風力機適應風速的變化，達到最優(you) 的功率輸出。變漿距風力發電機組不完全依靠葉片的氣動特性，而主要是依靠與(yu) 葉片相匹配的葉片攻角改變來調節風能的轉換效率。在靜止時節距角為(wei) 90°，這時氣流對槳葉不產(chan) 生力矩，整個(ge) 槳葉相當於(yu) 一塊阻尼板。當達到啟動風速時，槳葉向0°方向轉動，氣流對槳葉產(chan) 生一定的攻角，葉輪開始轉動。在額定風速以下時，葉片的攻角處於(yu) 0°附近，此時葉片角度受控製精度的影響，變化範圍很小，可等同於(yu) 定漿矩風機。在額定風速以上時，變漿距機構發揮作用，調整葉片攻角，保證發電機的功率在允許範圍之內(nei) 。變漿距風力機啟動風速比較低，這對增加發電量幾乎沒有什麽(me) 意義(yi) ，停機時對傳(chuan) 動機構衝(chong) 擊小，風力機正常工作時主要采用功率控製[11-13]。

　　4.3 主動失速調節

　　這種調節方式是前兩(liang) 種功率調節方式的組合。在低風速時，采用變漿距調節，可達到更高的氣動效率；當風機達到額定功率後，風機按照變漿距調節時風機調節漿距相反的方向改變漿距，這種調節將引起葉片攻角的變化，從(cong) 而導致更深層次的失速，可使功率輸出更加平滑。這種調節方式綜合前兩(liang) 種調節方式的優(you) 點，類似變漿距調節，但不需要很靈敏的調節速度，大風時，整個(ge) 機組受到的衝(chong) 擊也較小[13]。

　　5  結束語

　　小型風力發電係統作為(wei) 農(nong) 村能源的組成部分，它的推廣應用對於(yu) 改善用電結構，特別是邊遠山區的生產(chan) 、生活用能，推動生態環境建設諸領域的發展將發揮積極作用，因此具有廣闊的市場前景。風能具有隨機性和不確定性，風力發電係統是一個(ge) 複雜係統。簡化小型風力發電係統的結構、降低成本、提高可靠性及實現係統優(you) 化運行，對於(yu) 小型風力風力發電係統的推廣具有非常重要意義(yi) 。

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