风力电源供电系统类型

    风力电源供电系统与太阳能电源供电系统一样，分为三种类型：①独立型，用于边远地区；②混合型，风力电源与柴油机组或其他能源机组混合组网；③风力电源与电网系统混合。

    1．独立型

    独立风力发电机和电池充电系统的基本结构如图8-27所示。充电控制器的功能是从风力发电机向电池组以受控的方式提供能量。在常用的永磁同步发电机中通常由受控整流器实现这个功能。控制器需要限制流入电池的最大电流，对于电池高充电状态减小充电电流，在电池满充电状态维持连续补充充电。

    图8-27    风力发电系统基本结构

    2．风力-柴油混合供电系统

    风力-柴油混合供电系统与太阳能混合供电系统相类似，只不过是所用能源不一样。边远地区使用的不带电池的柴油系统效率低、维护成本高、燃料费用高。柴油发电机必须在一定负载水平之上运行以避免汽缸由于不完全燃烧而磨损。通常安装倾卸负载以消耗剩余能量。通过将柴油发电机和电池逆变器系统相结合，以及与可再生能源（如适当的风能/太阳能）混合可提供更高的系统效率。结合了柴油发电机、风力发电机、电池或飞轮储能和逆变器的集成混合能量系统在平均日能量需求超过25kWh的许多应用场合有较高的成本。这些混合能量系统可作为分散式发电中的小电网。混合系统的核心是高质量正弦波逆变器，它可以反向用作电池充电器。系统可与从零（仅逆变器运行）到约大三倍（逆变器和柴油发电机并联运行）的负载配合使用。

    风力发电的分散形式在边远地区供电中比较有利。由于PV系统的高成本，风力涡轮机可作为混合系统的可行选择。然而，带有电池储能的系统提供更高的可靠性。

    3．与电网连接的风力供电系统

    边远地区供电的特点是惯性小、阻尼小和无功功率少。这种弱电力系统易受网络运行条件突然变化的影响，功率波动将导致对用户供电质量下降，用户断开电源、频率波动或产生脉冲。这种弱电网系统需要合理的储能与控制，在不牺牲峰值功率跟踪能力的前提下使波动变缓。有两种储能元件：第一种是带惯性的旋转机械，包括叶片、变速箱和发电机转子。恒定转速机器中的风速波动将导致轴速改变，并不产生明显的发电机输出变化，因此风速的变化不会导致电网输出有明显或中等的变化。第二种储能元件是DC-DC变换器和逆变器之间的小电池存储。突发的能量将临时存储于电池组中，并在风速较低时释放，这样就降低了波动的程度。

    加入逆变器控制将进一步减少波动并增加总输出功率。于是风力供电系统的总输出可以得到稳定和平滑，表现为平均风速的作用，突然的风力增加可能不会在输出中体现出来。系统控制器需要跟踪峰值功率以维持风力供电系统输出恒定。要监视定子输出并调整逆变器以平滑整个输出。平滑的数值取决于电池的充电状态。通常调整总输出以确保电池组的充电状态维持在合理水平。这样，总的风力供电系统，将跟踪风速的长期变化，但不受风力突变的影响。电池组的存储容量只需在几分钟内将风力的突变平滑掉，这在弱电力系统中很容易做到。如果弱电网由柴油发电机供电，传统风力涡轮机将导致柴油引擎工作于低容量水平。在强风力应用中，风力发电机输出的波动会很容易地被电网吸收。我们的主要目的是从风中获取最大的能量。这种系统的基本结构如图8-28所示。

   DC-DC变换器的功能是平衡风速和轴速的变化，使混合供电系统供电平稳。逆变器的目的是将转子和DC-DC变换器产生的能量，在峰值功率跟踪过程中传递给电网，以减少或消除对电池组的需求。控制需要足够快，使得逆变器输出功率设定点与DC-DC变换器的输出匹配。对于在2对1速度范围内运行的绕线转子感应发电机来说，从转子中获取的最大功率等于定子的额定功率。传统观点中，发电机的功率仅为风力涡轮机的一半。由于一半功率来自定子，一半来自转子，DC-DC变换器和逆变器的电力电子仅需要处理总风力涡轮机输出的一半功率，同时无需电池。

    图8-28    与电网连接的风力供电系统结构

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