风力发电系统的电能变换装置设计方案

　　伴随着经济的发展及人口的增长，人类对能源的需求增加，而以煤炭、石油为主的常规能源存在有限性，且污染和破坏自然环境。风能是一种清洁的可再生能源，并且资源丰富，有着无需开采、运输的特点。目前风力发电系统分非直驱风力发电系统和直驱风力发电系统，前者主要采用齿轮箱对风轮机提速后，驱动常规异步发电机，而直驱风力发电在整个体系结构中，由于省去了增速齿轮箱，减小了风力发电机的体积和重量，省去了维护，降低了风力发电机的运行噪声，所以研究直驱风力发电系统的电能变换装置对提高风电转换效率及开发风力发电技术的推广，有着重要的社会效益和经济效益。
　　1、常规直驱风力发电系统的特性
　　直驱风力发电系统采用低速的永磁同步发电机取代了异步发电机，在永磁直驱风力发电系统中，风轮机将捕获的风能以机械能的形式驱动永磁发电机，永磁发电机的转速随着风速的变化而进行变化，发出电压和频率都变化的电能，需要经过电能变换电路输出恒压恒频的电能。现阶段常规离网型户用风力发电系统的基本结构如图1所示。 　　风速的时变性，使得风力发电机的电压及频率变化，不易于直接被负载利用，所以目前的独立运行风力发电系统通过“交流-直流-交流”的转换方式供电，且要考虑风速很弱及无风的情况，系统的装置中使用了蓄电池进行储能。先用整流器将发电机的交流电变成直流电向蓄电池充电，再用逆变器将直流电变换成电压和频率稳定的交流电输出供给负载使用。系统的能量传输分配中要经过两次能量转换：电能-化学能-电能，能量的利用率偏低，且由于风力发电发出的能量较小，往往达不到负载需求的电能。
　　2、改造后的直驱风力发电系统
　　2.1 风力发电系统的基本组成
　　针对直驱风力发电的特性，研究设计的风力发电系统应由风轮机、永磁同步发电机、电能变换装置(整流器、直流调压装置、逆变器)、控制器、泄能负载、蓄电池、制动刹车装置和用户负载等组成，其设计研究的永磁直驱风力发电系统的结构组成原理图如图2所示。 　　2.2 能量传输分配分析
　　分析在正常情况下的能量流动路径，由图2所列出的风电系统的供电模式可知，在考虑风速大于切入风速及小于切出风速时，风力发电控制系统中的能量传输的关系大体上分4种情况如图3所示。 　　正常启动风速到达后，风轮机开始运行，当风速较大时，风力发电机组发出的电能，经过电能变换装置调节后，得到用户负载所需要的交流电，多余的电能经过蓄电池储存起来;当风速不足时，风力发电机组发出的电能较小或则不发电能，此时由蓄电池发电给电能变换装置，进而变换后，供给用户负载;当风力发电机组发出的电能远大于用户所需的电能，且在蓄电池电量已被充满的情况下，采用泄能负载控制器对多余的电能放电。