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隨著人類社會的發(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，同時嚴重的環(huán)境污染也已成為威脅人類生存的主要問題。發(fā)展利用風能等可再生能源已成為我國長期的能源戰(zhàn)略，目前我國風力發(fā)電裝機容量僅占我國可利用風力資源0.1%，根據(jù)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》，風電到2020年很可能超越核電，成為我國第三大發(fā)電形式。在風力發(fā)電中如何提高風能利用率及風電質(zhì)量是至關(guān)重要的，是首先要面對并解決的工程技術(shù)。傳統(tǒng)“恒速恒頻”發(fā)電技術(shù)中風力機的葉輪轉(zhuǎn)速始終保持不變以達到標準的頻率、電壓等電力要求，該技術(shù)只能在某一風速下實現(xiàn)風力機最大風能利用[1]；在葉片等其他技術(shù)條件相同情況下，如實現(xiàn)在全部工作風速或多個風速值下風力機均能實現(xiàn)最大的風能利用，就可能較大地提高風能利用率，“多級變速”風力發(fā)電技術(shù)就是風力機的葉輪能在多個轉(zhuǎn)速點對應(yīng)多個風速值轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)在相應(yīng)風速值下風力機獲得最大的風能利用，并輸出頻率恒定的電能 [2]，四級變速風力發(fā)電技術(shù)是“多級變速”技術(shù)的具體應(yīng)用。
一 四級變速風力發(fā)電機原理
多級變速風力發(fā)電機主要由2臺發(fā)電機（發(fā)電機1和發(fā)電機2）、控制系統(tǒng)和變速機3部分組成，其技術(shù)原理如圖1所示。大功率的發(fā)電機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1的定子繞組相連[1]。
大功率的發(fā)電機2只有在風速較大（風機輸入功率較大）時才和變速機聯(lián)接運行。發(fā)電機2輸出的電流頻率不僅和轉(zhuǎn)子的機械轉(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，這一特點簡稱為“合頻”特性。
根據(jù)“合頻”特性，在圖1兩臺電機組合發(fā)電中，發(fā)電機2定子繞組輸出的電流頻率、發(fā)電機1定子繞組輸出的電流頻率和電機轉(zhuǎn)子的機械旋轉(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2的極對數(shù)；
fn2——發(fā)電機2的轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)頻率；
P1——發(fā)電機1的極對數(shù)；
fn1——發(fā)電機1的轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)頻率。
只要設(shè)計和控制好P1，fn1，P2，fn2這4個參數(shù)，完全可以使發(fā)電機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個參數(shù)主要由變速機機械變速和改變發(fā)電機極對數(shù)來實現(xiàn)。因此，利用發(fā)電機2“合頻”特性，通過變速機機械變速和改變發(fā)電機極對數(shù)，可實現(xiàn)風速變化時風力機在多級風輪轉(zhuǎn)速下能輸出恒定頻率的電能，以提高風能的利用率。
由式（1）知，增加電機極對數(shù)，可降低機械旋轉(zhuǎn)頻率，相應(yīng)降低轉(zhuǎn)子及齒輪轉(zhuǎn)速，改善潤滑條件，減少維護費用。[4]小功率的發(fā)電機1的額定功率約為發(fā)電機2額定功率的1/4，其電機極對數(shù)一般可以變化。當風速較小時，變速機只帶動發(fā)電機1工作，發(fā)電機2脫開與變速機的連接停止工作，發(fā)電機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)電機發(fā)電效率，延長了大功率發(fā)電機2的壽命；當風速較大（風機輸入功率較大）時，2臺發(fā)電機經(jīng)變速機帶動都發(fā)電工作，且發(fā)電機1發(fā)出的電流經(jīng)控制系統(tǒng)輸入到發(fā)電機2的轉(zhuǎn)子繞組電路進行“合頻”，結(jié)合變速機機械變速、改變電機極對數(shù)等方法，使風力發(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、改變電機極對數(shù)、控制發(fā)電機1輸向發(fā)電機2的電流頻率等參數(shù)、控制發(fā)電機2轉(zhuǎn)子電路電阻值等作用。改變電阻值可控制電機的滑差率，使得風速及風輪轉(zhuǎn)速在小范圍變化時發(fā)電機發(fā)出的電流頻率仍保持恒定[4]。
二 四級變速風力發(fā)電實例
設(shè)工作風速為5.5m/s（啟動風速）到16.5m/s（較大風速），在啟動風速5.5m/s處葉輪轉(zhuǎn)速為100rpm時葉輪當量葉尖速比為4，此時風能利用率為最大（按0.3計），要實現(xiàn)工作風速范圍內(nèi)若干風速點（5.5m/s，8.25m/s，11m/s，16.5m/s共4檔風速，故稱為四級變速）仍達到最大風能利用率，即葉輪當量葉尖速比為4，可按（1）設(shè)計機械增速比和發(fā)電機極對數(shù)，由于要保持相同的葉尖速比，對應(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)變速自動化程度，葉輪到發(fā)電機2設(shè)計為1級機械變速，速比為5；葉輪到發(fā)電機1設(shè)計為1級機械變速，速比為2.5；發(fā)電機為雙速發(fā)電機[4]，發(fā)電機2的極對數(shù)分別為6和2，發(fā)電機1的極對數(shù)分別為4和2，發(fā)電機2的功率約為發(fā)電機1的1/4。具體關(guān)系如表1所示。
由表1可知（不考慮電機滑差率），在風速11m/s及8.25m/s處，2個發(fā)電機利用“合頻”特性聯(lián)合發(fā)電，發(fā)電機2的輸出接入發(fā)電機1的轉(zhuǎn)子電路。在具體應(yīng)用中，當風速為7及以下時可用第1種方式，即發(fā)電機2（6極）單獨發(fā)電；當風速為7上到9.5時可用第2種方式，即發(fā)電機2（2極）與發(fā)電機1（4極）聯(lián)合發(fā)電；當風速為9.5以上到13時可用第3種方式，即發(fā)電機2（2極）與發(fā)電機1（2極）聯(lián)合發(fā)電；當風速為13以上時可用第4種方式，即發(fā)電機2（2極）及發(fā)電機1（4極）單獨發(fā)電。
三 結(jié)論
四級變速風力發(fā)電技術(shù)利用改變發(fā)電機極對數(shù)及大小2個發(fā)電機的相互配合，達到在4個風速點都能實現(xiàn)風能最大利用，根據(jù)統(tǒng)計如果變速恒頻風力發(fā)電在整個工作風速范圍內(nèi)風能利用量為1個單位，則四級變速風力發(fā)電風能利用量能達到80%左右，恒速恒頻風力發(fā)電風能利用量約為40%。
而且與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)比還有其他優(yōu)點，相比恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)的增速箱，多級變速風力發(fā)電的變速器為低速變速箱，降低了潤滑要求，減少了維護費用；由于風速不大、風機輸入功率較小時，只有小功率發(fā)電機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)電機的效率，延長了大功率發(fā)電機1的壽命。
參考文獻：
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