直線葉型立軸風輪與新型風力發電機的合理匹配

    在現代的風力發電系統中，由于發電機和風輪機之間的配合不當而出現一些實質性的問題，諸如擾動風速下風輪不能捕獲最大功率，成本高以及每年掙發電量少等。為了解決這些問題，提出了一種能使風輪輸出最佳化的新型發電機。該發電裝置由永磁發電機、電抗器和整流器組成。既沒有需要備用電源的控制電路，又無開關元件的PWM變換器，在無控制電路的情況下，通過選擇永磁發電機和電抗器的最佳組合，二能獲得風輪的最大輸出功率。發電機有多路繞組，而電抗器與每路繞組串聯。在新型風力發電機與直線葉型立軸風輪（SW-VAWT)直接連接的情況下，發電機與風輪的匹配已通過現場試驗論證。根據試驗結果確認：擾動的風速下，新型的風力發電機與風輪的整合非常理想。

關鍵詞：風力發電裝置　　永磁發電機　　無控制電路　　整合性

1 前言
　　由于天然資源的枯竭和地球的溫升效應，風力發電得到了急速的發展。但是，在目前風力發電系統中，由于發電機和風輪機之間的配合不當而出現一些實質性的問題：(1)在變動風速下，經常不一定能取得風輪的最大功率；(2)初期成本和運行成本高；　(3)一年的凈發電量少，特別在必設控制電路又未刮風或未吹動風葉情況下，還需要待機功率，使得每年的凈發電量減少。對能解決或緩解這些問題的發電裝置，定義為“與風輪整合性好”的發電裝置。
　　原來的發電裝置通常有變頻方式和整流方式兩種。變頻方式中，為在變動的風速下得到風輪的最大功率，利用變頻器進行可變速的運轉。但是由于變頻器控制電路的操作電源需要待機功率，以及因PWM變換器的開關損耗，所消耗的功率比低風速時從風輪取得的最高功率還要大，有效的凈發電量成為“負數”。待機功率相對發電容量可能占較大的比例，尤其在小型風力發電系統中較為明顯。
　　在整流方式中，將永磁發電機的輸出經過整流后，輸出直流功率。例如，若按10m/s高風速時取得額定功率設計，則在風速出現頻度高的5m/s風速以下時，風輪處于“空”轉狀態，在此風速下即使是風輪的轉速高，因發電機輸出電壓比作為負載的直流電源的電壓還低，故不能輸出功率。
　　考慮到這些情況，特別著眼于上述的問題(1)，研究開發了新方式的發電裝置。下面，對此發電裝置，稱之為“無CC（無控制電路）”的新型發電裝置。
　　無CC發電裝置（簡稱無CC），沒有待機功率，沒有常規所需的控制電路和由開關元件組成的PWM變換器，這是由能使風輪輸出最佳化的永磁同步發電機、電抗器和整流器組合的發電裝置。
　　將這一“無CC”應用于直線葉型立軸風輪，進行了試驗。對應于上述的問題(1)，這個與風輪整合性高的發電裝置，由試驗結果已得到確認。本文對有關“無CC”的概要，試驗結果，提高功率特性的策略以及適用的方法予以介紹。
2 獲得風輪最大功率的方法
2.1 原理  
　　圖1所示為受風面積5m2的直葉型立軸風輪(SW-VAWT)。圖2為風輪機的特性曲線。一旦確定風輪的形狀，功率系數Cp與葉尖速比β的關系也就確定。葉尖速比β由式(1)給出。從而，各個風速下風輪輸出最大功率的轉速N(opt)則由式(2)給出，N與各個風速成比例。

　　　　　　　　　　
　　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—風輪半徑(m)；N—風輪轉速(rpm)；N(opt)—各個風速下風輪最大功率時的轉速；V—風速(m/s)；Cp—功率系數；β—葉尖速比；βmax—功率系數Cp最大時的葉尖速比；ρ—空氣密度(Kg/m3)；W—風輪功率(W)；W(max)—各個風速下風輪的最大功率；A—風輪受風面積(m2)；K1, K2—比例常數。
　　下面，假定風輪與發電機在無損耗的齒輪傳動下，對風輪的轉速予以說明。