永磁直驅同步風力發電系統在發射臺站的應用分析

河南許昌中波轉播臺 辛 聞

永磁直驅同步風力發電系統在發射臺站的應用分析

河南許昌中波轉播臺 辛 聞

【摘要】隨著風能發電技術的進一步成熟完善，特別是永磁直驅風力發電技術的發展，目前已成為性能最優、性價比高和可靠性高的風力發電方式。本文首先對永磁直驅同步風力發電系統的結構及原理進行了分析，結合發射臺的實際情況，提出了永磁直驅風力發電應用于無線發射臺站的幾套技術策略方案分析。

【關鍵詞】永磁直驅同步；風力發電；發射臺站 ；應用分析

引言

風力發電相對于其他新能源來說技術更成熟、成本更低、對環境破壞更小，一是風力發電不受與風力無關的自然條件的限制，不論白天或是黑夜，陰雨或是晴朗，寒冷與炎熱等。風力發電機對于太陽能電池和市電有極大的互補性：一般太陽能電池不能工作的陰雨天氣都會伴有大風，同時也是市電電網最容易出故障的時候。二是建設與投入使用非常靈活快捷。運行中不受市電電網故障的影響，并且相對太陽能發電來說初期投資和后期維護要少得多。過去20多年里，風力發電技術不斷取得突破，特別是永磁直驅風力發電技術的發展，規模經濟性日益明顯，目前它是性能最優、性價比高和可靠性高的風力發電方式。

一、永磁直驅風力發電系統的結構及其原理

直驅型風力發電系統一般由風力機、PMSG直驅永磁同步發電系統、全功率變流器、控制系統四部分構成，如上圖所示，其原理是：風以一定的風速和角度作用在風力機的葉輪上，風力機由于受到旋轉力矩而轉動，由于風力機和發電機同軸相連，從而帶動PMSG轉子轉動，發電機發出變壓變頻的交流電。由于風速不斷地變化，發電機輸出的端電壓幅值、頻率也時刻變化，不符合并網要求。因此，發電機發出的電只有經過全功率變流器進行整流逆變，使其轉化為幅值、頻率、相位與電網一致的交流電后，通過變壓器接入電網。

與傳統的變速恒頻風電系統相比，直驅型系統優點一是采用的低速永磁同步發電機無需勵磁，效率高和可靠性高。二是，無增速齒輪箱，降低了噪音污染，減少了維護工作，從而降低了維護成本；三是，采取適當的控制方法可以實現最大風能捕獲，提高系統的效率，并且釆取一定的變流器控制策略（SVPWM）便能靈活地調節系統輸出的有功功率和無功功率，輸出電流諧波含量低，易于實現低電壓穿越（LVRT）能力，具有較強的抗擾動能力，符合風力發電并網技術標準。

二、無線發射臺站完全具備新型風力發電的要求

無線發射臺站屬于接收轉播廣電信號的基站，位置一般都地處地勢高的特點，周圍視野開闊，往往擁有非常好的風力資源，所以風力發電并網對于發射臺完全能夠實現。發射臺任務擔負宣傳政府的聲音，所以要求臺站對于電的穩定需求非常明顯，一般市級臺站必須要求雙回路用電，但是由于自然天氣、變電站、變壓器線路維護每年造成的停電停播情況不斷，這就需要永磁直驅風力發電對市電做有益補充。

三、永磁直驅風力發電應用于無線發射臺站的技術研究方案

1、市電+小型風力發電機+兩組蓄電池的供電組合。摒除了大多數以市電+兩組蓄電池的供電組合模式，電池由于經常反復充放電導致電池使用壽命大大縮短。較長時間停電時用柴油機發電浪費了巨大的人力與物力，增加了維護成本，這種模式已經不能滿足要求。而增加小型風力發電機不但可以降低維護費用，在風資源相對較好的地區使用，可以節省用電費用并且降低臺站斷電率。在市電不穩或長時間停電時，視風力大小給設備和電池供電或給兩組蓄電池輪流充電以保障設備的正常運行。

2、小型風力發電發射塔的研究。風力發電機置于塔上40-50米高度，該塔式結構除受常規通信塔荷載外，還承受來自發電設施的荷載，受力復雜。該方案的難點其一在于對該新型塔式結構在引入風機發電后，塔體所受力分析，其頂部位移及受力均有所不同，因此必須對風電塔進行順風向的減振控制，以限制其頂部位移。其二，不少發射絕緣塔是塔體帶電的，怎么解決風力發電設備和塔體共存及絕緣干擾問題。

3、增加風力發電作為補充供電部分。運用目前成熟的永磁直驅風力發電系統，風力發電的輸出作為負載截止開關電源的一路輸出端子上，和原有的供電系統互為備份，由于永磁直驅風力發電系統很成熟，無需對開關電源進行任何改動，該技術實現的原理是：在保證原供電系統不變的情況下，增加風力發電作為補充供電部分，不增加儲能用蓄電池和對應的蓄電池充電控制部分，系統容量滿足直流負載用電量即可；新能源經過自身控制部分輸出直流電作為負載，直接接至原供電系統的輸出端，新能源的輸出直流電壓以原供電系統的直流電壓為負反饋引入點，從而控制新能源的輸出電壓，使其始終比元供電系統的電壓高幾十毫伏，從而達到有限和最大化使用新能源的目的。

系統工作時，當新能源有直流輸出時，原供電系統自動降低輸出，如果新能源的輸出功率滿足原系統負載需求時，原整流器自動停止輸出；當新能源輸出功率小于負載需求時，原整流器補足剩余部分，當新能源無輸出時，恢復到原有供電方式。此系統需要設計開發基于直流負反饋技術的風力發電整流控制模塊。

4、臺站機房、變壓器、穩壓器、配電室等重點部位需要 24 小時監控，自從實行有人留守無人值班的上班模式后，機房值班人員相對較少，因此臺站的環境安全也就顯得尤為重要。在重點部位安裝照明燈燈具是必不可少的，例如機房、工具房、大門天線鐵塔及用電設備地點的照明，特別是天調室及機器后面需要燈光常亮照明，以方便設備有故障時能及時到達機房處理。因此利用風能發電供LED燈照明是既節能又環保安全的一個技術改造方案，此方案最簡單也容易實現。

四、結束語

總之，隨著風力發電技術的逐漸完善，永磁直驅同步風力發電機用于發射臺將以較小的成本獲得巨大的收益，在降低發射成本的同時可以提高發射運行質量，并將在很大程度上降低臺站對電網的依賴并增強抵抗電力故障的能力，為發射臺站發展及促進能源結構向綠色、潔凈、環保的方面發展做出貢獻！

參考文獻

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基金項目：本文為河南省教育廳科技計劃項目《永磁直驅同步風力發電系統中變流器的SVPWM控制技術研究》的部分研究成果，項目編號：14A470006。

作者簡介：

辛聞（1982—），河南許昌人，工程師，現供職于河南許昌中波轉播臺。