直线叶型立轴风轮与新型风力发电机的合理匹配

    在现代的风力发电系统中，由于发电机和风轮机之间的配合不当而出现一些实质性的问题，诸如扰动风速下风轮不能捕获最大功率，成本高以及每年挣发电量少等。为了解决这些问题，提出了一种能使风轮输出最佳化的新型发电机。该发电装置由永磁发电机、电抗器和整流器组成。既没有需要备用电源的控制电路，又无开关元件的PWM变换器，在无控制电路的情况下，通过选择永磁发电机和电抗器的最佳组合，二能获得风轮的最大输出功率。发电机有多路绕组，而电抗器与每路绕组串联。在新型风力发电机与直线叶型立轴风轮（SW-VAWT)直接连接的情况下，发电机与风轮的匹配已通过现场试验论证。根据试验结果确认：扰动的风速下，新型的风力发电机与风轮的整合非常理想。

关键词：风力发电装置　　永磁发电机　　无控制电路　　整合性

1 前言
　　由于天然资源的枯竭和地球的温升效应，风力发电得到了急速的发展。但是，在目前风力发电系统中，由于发电机和风轮机之间的配合不当而出现一些实质性的问题：(1)在变动风速下，经常不一定能取得风轮的最大功率；(2)初期成本和运行成本高；　(3)一年的净发电量少，特别在必设控制电路又未刮风或未吹动风叶情况下，还需要待机功率，使得每年的净发电量减少。对能解决或缓解这些问题的发电装置，定义为“与风轮整合性好”的发电装置。
　　原来的发电装置通常有变频方式和整流方式两种。变频方式中，为在变动的风速下得到风轮的最大功率，利用变频器进行可变速的运转。但是由于变频器控制电路的操作电源需要待机功率，以及因PWM变换器的开关损耗，所消耗的功率比低风速时从风轮取得的最高功率还要大，有效的净发电量成为“负数”。待机功率相对发电容量可能占较大的比例，尤其在小型风力发电系统中较为明显。
　　在整流方式中，将永磁发电机的输出经过整流后，输出直流功率。例如，若按10m/s高风速时取得额定功率设计，则在风速出现频度高的5m/s风速以下时，风轮处于“空”转状态，在此风速下即使是风轮的转速高，因发电机输出电压比作为负载的直流电源的电压还低，故不能输出功率。
　　考虑到这些情况，特别着眼于上述的问题(1)，研究开发了新方式的发电装置。下面，对此发电装置，称之为“无CC（无控制电路）”的新型发电装置。
　　无CC发电装置（简称无CC），没有待机功率，没有常规所需的控制电路和由开关元件组成的PWM变换器，这是由能使风轮输出最佳化的永磁同步发电机、电抗器和整流器组合的发电装置。
　　将这一“无CC”应用于直线叶型立轴风轮，进行了试验。对应于上述的问题(1)，这个与风轮整合性高的发电装置，由试验结果已得到确认。本文对有关“无CC”的概要，试验结果，提高功率特性的策略以及适用的方法予以介绍。
2 获得风轮最大功率的方法
2.1 原理  
　　图1所示为受风面积5m2的直叶型立轴风轮(SW-VAWT)。图2为风轮机的特性曲线。一旦确定风轮的形状，功率系数Cp与叶尖速比β的关系也就确定。叶尖速比β由式(1)给出。从而，各个风速下风轮输出最大功率的转速N(opt)则由式(2)给出，N与各个风速成比例。

　　　　　　　　　　
　　β=2π×N×R/V                                           (1)
　　N(opt)=βmax×V/(2πR)=K1×V                  (2)
　　W=0.5×ρ×Cp×A×V³                              (3)
　　W(max)= K2×N³                                      (4)
　　式中，R—风轮半径(m)；N—风轮转速(rpm)；N(opt)—各个风速下风轮最大功率时的转速；V—风速(m/s)；Cp—功率系数；β—叶尖速比；βmax—功率系数Cp最大时的叶尖速比；ρ—空气密度(Kg/m3)；W—风轮功率(W)；W(max)—各个风速下风轮的最大功率；A—风轮受风面积(m2)；K1, K2—比例常数。
　　下面，假定风轮与发电机在无损耗的齿轮传动下，对风轮的转速予以说明。