淺談小型風力發電機

    1 引言

    作為一種價格低廉、運行可靠、無溫室氣體排放的新型發電系統，風力發電系統的安裝容量正在以每年超過30%的增長率在世界范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系統大多是MW級與電網互聯的大型風機系統，該行業的技術經過不斷完善已日臻成熟。但是用于邊遠地區獨立供電的小型風力發電系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，采用小型風力發電系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系統的溫室氣體排放，改善環境和農村地區的能源結構，有益于可持續性發展。

    2 小型風力發電系統總體結構及工作原理

    風力發電機組是將風能轉化為電能的機械。從能量轉換的角度看，風力發電機組由兩大部分組成：其一是風力機，它的功能是將風能轉換為機械能；其二是發電機，它的功能是將機械能轉換為電能。

    小型風力發電系統結構如圖1所示。它一般由風輪、發電機、尾舵和電氣控制部分等構成。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。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。發出的電經過控制器的整流，由交流電變成了具有一定電壓的直流電，并向蓄電池進行充電。從蓄電池組輸出的直流電，通過逆變器后變成了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并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蓄電池和其他控制裝置共同組成獨立運行風力機發電系統。這種獨立運行系統可以是幾kW乃至幾十kw，解決一個村落的供電系統，也可以是幾十到幾百W的小型風力發電機組以解決一家一戶的供電。

    3 小型風力發電機的電力變換裝置

    由于風能的隨機性，發電機所發出電能的頻率和電壓都是不穩定的，以及蓄電池只能存儲直流電能，無法為交流負載直接供電。因此，為了給負載提供穩定、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、控制器、蓄電池等組成。

    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，整流后的直流電經過控制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，由于三相整流橋的二極管導通方向只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系統中，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。根據風力發電系統的容量不同，整流器分為可控與不可控兩種。可控整流器主要應用在功率較大的系統中，可以減小電感過大帶來的體積大、損耗大等缺點；不可控整流器主要應用于小功率系統中。