风力发电机的都经历哪些发展？新型混合风力发电机又是什么样的？

文|唐文采飞扬编辑|唐文采飞扬

传统的风力发电机主要依靠风能转化为电能，但其效率受到风速和风向等因素的限制。

为了克服这些限制并提高发电效率，研究人员提出了一种新型的混合风力发电机组，利用风力和太阳能的协同作用来发电，介绍该混合风力发电机组的原理和工作机制。

风力发电系统介绍

自古以来人类便开始利用风能，最早的风车可以追溯到公元6世纪，随着时间的推移，这项技术在不同的任务中得到了多样化应用，包括抽水、磨粮、驱动锯木厂，最近则是发电，这也是增长最快的能源市场。

截至2005年，全球风能市场已成为增长最快的能源市场（英国风能协会），风的起源源自地球表面的不均匀加热，从而驱动全球大气对流系统。

据估计，地球上有72到170兆瓦的风能可以潜在地用于商业目的。

现代风能产业始于20世纪80年代初，在加利福尼亚州和丹麦安装了第一批大型风力涡轮机，当今风能的发展受到能源价格上涨、能源安全和环境退化的担忧推动。

早期的风力涡轮机从技术角度来看相对原始，可靠性差且成本高昂。

与大多数新技术一样，早期的风力涡轮机经历了一个“通过实践学习”的过程，其中发现了缺点，重新设计了组件，并不断安装新的机器。

与20世纪80年代相比，如今的风能产业有了显著的变化，现代的风力涡轮机通常比早期版本强大100倍，并采用了复杂的材料、电子技术和空气动力学。

成本也有所下降，使得风能更具竞争力，大型企业和投资银行现在通过与科学家、发明家和企业家的合作推动着大部分风能活动。

毫无疑问，风能已成为许多国家能源系统的支柱之一，并被公认为可靠且价格合理的电力来源，全球已确定有96个国家和地区利用风能进行发电。

截至2011年底，全球安装的所有风力涡轮机每年可提供500太瓦时的电量，全球风能发电容量达到了237,016兆瓦，其中2011年新增了40,053兆瓦，创下历史新高。

随着能源行业从传统化石燃料向清洁能源转型的趋势加快，风能作为一种可再生能源，具有巨大的潜力和发展空间，小型风力系统及其混合应用正在发挥越来越重要的作用。

英国政府为了支持计划促进风力发电的发展，根据可再生能源义务，法律规定现在英国的电力供应商必须从风能等可再生能源来源提供一定比例的销售电量，否则需要支付罚款。

而每当供应商购买1兆瓦时的电力时，就会获得一个可再生能源义务证书（ROC）。

此外，随着公众和商业对微型发电的好处意识的增加，英国将有越来越多的地点对小型风力系统具有商业吸引力。

在英国，50千瓦以下的小型风力系统便不能再享受2个ROC的补贴，而是有资格在“反向发电计费”下获得支持，这是一种激励措施。

“反向发电计费”是政府引入的一项鼓励民众发电的低碳电力奖励计划，其基本理念是，居民每发电一单位，政府就向他们支付一定的费用。

根据2010年的一份报告，英国的“反向发电计费”激励计划结合了相应并不断增长的消费者兴趣和不断增加的外部投资，使得英国的小型风力市场比以往任何时候都更具吸引力。

风力涡轮机系统的基本原理

从能量转换的角度来看，典型的风力涡轮机由两个部分组成：转子叶片，能将风能转化为旋转机械能，以及发电系统，将机械能转化为电能。

一般而言，典型的风力涡轮机系统包括转子叶片、齿轮箱、发电机、偏航系统、控制系统、支撑塔和其他主要组件。

工业风力涡轮机根据旋转方式分为两个一般类别：垂直轴和水平轴。

商业化生产数量最多的唯一垂直轴风力涡轮机（VAWT）类型是达利厄斯机，其名称来源于法国工程师乔治·达利厄斯，他在1931年获得了该设计的专利。

垂直轴机器的基本理论优势有：（1） 发电机、齿轮箱等可以放置在地面上，不需要为涡轮机建造塔架，(2) 不需要偏航机构来将转子逆风转动。

而它的缺陷则是：(1)地面附近的风速非常低，因为没有塔架将转子抬升到较高的高度，(2)垂直轴机型的整体效率低于水平轴机型。

1. 机器不能自启动（例如，Darrieus机型需要一个"推动"才能启动），这对于与电网连接的涡轮机来说是不方便的。

与VAWT相反，水平轴风力涡轮机（HAWT）已经成为目前市场的主流，如今大多数与电网连接的商用风力涡轮机都采用了水平轴上的螺旋桨式转子。

传动系建模

风力涡轮机系统的传动系统通常由带有旋转叶片调整机构的旋转体、带有叶片的轮毂、转子轴和带有制动器和发电机的齿轮箱组成。

实际上，单个齿轮啮合时与齿槽摩擦损失相关的效率可以达到98-99%。

然而，在一些带有永磁同步发电机（PMSG）的系统中，齿轮箱是不必要的，因为具有多对极对的PMSG可以实现低速高转矩运行。

由于齿轮箱会增加重量、成本和维护需求，无齿轮结构代表了一种高效且稳健的解决方案，特别适用于海上应用。

机械模型的推导强调了仅包括风力涡轮机的动态结构中与电网交互关系重要的部分，即对功率波动产生显著影响的部分。

对风力涡轮机传动系统进行建模的可接受（也是常见）方法是将其视为由阻尼和刚度系数定义的弹簧连接的多个离散质量体。

作为风力涡轮机系统模型的一个组成部分，传动系统模型的最小实现基于两个集中质量的假设：涡轮叶片（带轮毂）质量和高速轴（带齿轮箱）质量。

简化的假设之一是传动系统是一个刚性轴系统，因此，扭转刚度足够大；涡轮叶片和高速轴具有相同的旋转自由度。

低速轴由涡轮叶片驱动，提取空气动力，高速轴与发电机连接，驱动电磁场（EMF）负载，根据旋转运动方程，传动系统的模型可以由方程描述：

其中， J 代表惯性， τ 代表转矩， B 代表阻尼系数，而 T、L、H、G 的下标分别代表涡轮叶片、低速轴、高速轴和发电机。

其中， ηT 和 ηG 分别代表齿轮箱的效率和速比，为了简化建模，还考虑了单质量集中模型，该模型涵盖了风力涡轮传动系统的所有旋转部件。运动的微分方程可以表示为：

其中， Beq 是发电机侧的等效阻尼系数。

风力涡轮发电机的介绍和建模

三相交流发电机几乎是唯一用于电力发电的发电机，当三相发电机直接供电到一个固定频率的电网时（例如欧洲的50赫兹，美国的60赫兹），发电机的角速度几乎固定。

在这种情况下，风力发电的能力无法充分利用变化的风速，但随着科技的发展，现如今高度发展的变流器技术，已经可以实现可变转速发电机的运行。

在狂风中，它还大大减少了叶片和涡轮发电机之间的轴上的机械应力，风力涡轮变速运行的主要优势是可以通过最大功率点跟踪（MPPT）控制来优化风能捕获。

一项研究指出，与固定速度运行相比，可变速运行的最佳选择可以提供多出20%的发电功率，甚至还有更乐观的说法，这种增益可高达38%。

目前，根据发电机和变流器的不同组合，有两种不同类型的可变速运行概念，它们如下所述：

在图中，通过使用双馈感应发电机（DFIG）和背靠背的电压源变流器给转子供电来实现电网频率与机械转子频率的解耦。

而在图中，通过使用背靠背的电压源变流器或直接驱动的永磁同步发电机（PMSG），完全将发电机与电网解耦。

在图中，通过将二极管整流器与发电机定子绕组耦合以及将电压源逆变器与电网耦合的方式实现解耦，二者之间形成一个组合。

这种组合可以通过在电力系统元件和机器端之间安装变流器和逆变器来调节和改善电力质量，以满足电网或负载的需求。

双馈感应机是一种标准的绕线式感应机，其定子绕组直接连接到电网，而转子绕组通过频率变换器连接到电网，两个绕组在轴和电气系统之间传输大量功率。

在这种配置中，感应发电机的转速范围可以与满功率变流器的同步发电机一样广泛，然而，转子电路中的变流器只需覆盖额定功率的约20％，因此，它的成本较低且损耗较小。

转子电路中更复杂的控制还可以决定感应机是消耗无功功率还是提供无功功率，以满足电网当前的需求。

而在PMSG中，其电枢电流与永磁体（PM）产生的磁场相互作用，PM广泛用于取代同步机中的励磁绕组。

使用PM而不是电磁铁的动机是为了使转子结构更简单，即无需通电的励磁线圈，此外，效率得到改善，因为转子线圈损耗几乎被消除。

评估认为PMSG风力发电机的效率比其他可变速风力发电机概念更高，然而，永磁体励磁的缺点是永磁体材料成本高且励磁固定，无法根据工作点进行调整。

尽管如此，全尺寸IGBT背对背电压源变流器是必不可少的，通过该变流器将发电机与电网连接。

由于功率变流器将发电机系统与电网解耦，因此更容易实现故障过渡和电网支持。

由于电力网代码的加强，相比使用双馈感应发电机的风力发电机概念，全尺寸功率变流器的风力发电机可能在未来更受青睐。

结语：

研究结果表明，风能与风速的立方成正比，由于自然风的变化性，发电机功率输出可能会出现明显的波动。

因此，迫切需要应用替代技术来减轻这种影响，基于模拟工作，对风力涡轮的技术性能和动态响应进行了研究。

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