永磁直驱同步风力发电系统在发射台站的应用分析

河南许昌中波转播台 辛 闻

永磁直驱同步风力发电系统在发射台站的应用分析

河南许昌中波转播台 辛 闻

【摘要】随着风能发电技术的进一步成熟完善，特别是永磁直驱风力发电技术的发展，目前已成为性能最优、性价比高和可靠性高的风力发电方式。本文首先对永磁直驱同步风力发电系统的结构及原理进行了分析，结合发射台的实际情况，提出了永磁直驱风力发电应用于无线发射台站的几套技术策略方案分析。

【关键词】永磁直驱同步；风力发电；发射台站 ；应用分析

引言

风力发电相对于其他新能源来说技术更成熟、成本更低、对环境破坏更小，一是风力发电不受与风力无关的自然条件的限制，不论白天或是黑夜，阴雨或是晴朗，寒冷与炎热等。风力发电机对于太阳能电池和市电有极大的互补性：一般太阳能电池不能工作的阴雨天气都会伴有大风，同时也是市电电网最容易出故障的时候。二是建设与投入使用非常灵活快捷。运行中不受市电电网故障的影响，并且相对太阳能发电来说初期投资和后期维护要少得多。过去20多年里，风力发电技术不断取得突破，特别是永磁直驱风力发电技术的发展，规模经济性日益明显，目前它是性能最优、性价比高和可靠性高的风力发电方式。

一、永磁直驱风力发电系统的结构及其原理

直驱型风力发电系统一般由风力机、PMSG直驱永磁同步发电系统、全功率变流器、控制系统四部分构成，如上图所示，其原理是：风以一定的风速和角度作用在风力机的叶轮上，风力机由于受到旋转力矩而转动，由于风力机和发电机同轴相连，从而带动PMSG转子转动，发电机发出变压变频的交流电。由于风速不断地变化，发电机输出的端电压幅值、频率也时刻变化，不符合并网要求。因此，发电机发出的电只有经过全功率变流器进行整流逆变，使其转化为幅值、频率、相位与电网一致的交流电后，通过变压器接入电网。

与传统的变速恒频风电系统相比，直驱型系统优点一是采用的低速永磁同步发电机无需励磁，效率高和可靠性高。二是，无增速齿轮箱，降低了噪音污染，减少了维护工作，从而降低了维护成本；三是，采取适当的控制方法可以实现最大风能捕获，提高系统的效率，并且釆取一定的变流器控制策略（SVPWM）便能灵活地调节系统输出的有功功率和无功功率，输出电流谐波含量低，易于实现低电压穿越（LVRT）能力，具有较强的抗扰动能力，符合风力发电并网技术标准。

二、无线发射台站完全具备新型风力发电的要求

无线发射台站属于接收转播广电信号的基站，位置一般都地处地势高的特点，周围视野开阔，往往拥有非常好的风力资源，所以风力发电并网对于发射台完全能够实现。发射台任务担负宣传政府的声音，所以要求台站对于电的稳定需求非常明显，一般市级台站必须要求双回路用电，但是由于自然天气、变电站、变压器线路维护每年造成的停电停播情况不断，这就需要永磁直驱风力发电对市电做有益补充。

三、永磁直驱风力发电应用于无线发射台站的技术研究方案

1、市电+小型风力发电机+两组蓄电池的供电组合。摒除了大多数以市电+两组蓄电池的供电组合模式，电池由于经常反复充放电导致电池使用寿命大大缩短。较长时间停电时用柴油机发电浪费了巨大的人力与物力，增加了维护成本，这种模式已经不能满足要求。而增加小型风力发电机不但可以降低维护费用，在风资源相对较好的地区使用，可以节省用电费用并且降低台站断电率。在市电不稳或长时间停电时，视风力大小给设备和电池供电或给两组蓄电池轮流充电以保障设备的正常运行。

2、小型风力发电发射塔的研究。风力发电机置于塔上40-50米高度，该塔式结构除受常规通信塔荷载外，还承受来自发电设施的荷载，受力复杂。该方案的难点其一在于对该新型塔式结构在引入风机发电后，塔体所受力分析，其顶部位移及受力均有所不同，因此必须对风电塔进行顺风向的减振控制，以限制其顶部位移。其二，不少发射绝缘塔是塔体带电的，怎么解决风力发电设备和塔体共存及绝缘干扰问题。

3、增加风力发电作为补充供电部分。运用目前成熟的永磁直驱风力发电系统，风力发电的输出作为负载截止开关电源的一路输出端子上，和原有的供电系统互为备份，由于永磁直驱风力发电系统很成熟，无需对开关电源进行任何改动，该技术实现的原理是：在保证原供电系统不变的情况下，增加风力发电作为补充供电部分，不增加储能用蓄电池和对应的蓄电池充电控制部分，系统容量满足直流负载用电量即可；新能源经过自身控制部分输出直流电作为负载，直接接至原供电系统的输出端，新能源的输出直流电压以原供电系统的直流电压为负反馈引入点，从而控制新能源的输出电压，使其始终比元供电系统的电压高几十毫伏，从而达到有限和最大化使用新能源的目的。

系统工作时，当新能源有直流输出时，原供电系统自动降低输出，如果新能源的输出功率满足原系统负载需求时，原整流器自动停止输出；当新能源输出功率小于负载需求时，原整流器补足剩余部分，当新能源无输出时，恢复到原有供电方式。此系统需要设计开发基于直流负反馈技术的风力发电整流控制模块。

4、台站机房、变压器、稳压器、配电室等重点部位需要 24 小时监控，自从实行有人留守无人值班的上班模式后，机房值班人员相对较少，因此台站的环境安全也就显得尤为重要。在重点部位安装照明灯灯具是必不可少的，例如机房、工具房、大门天线铁塔及用电设备地点的照明，特别是天调室及机器后面需要灯光常亮照明，以方便设备有故障时能及时到达机房处理。因此利用风能发电供LED灯照明是既节能又环保安全的一个技术改造方案，此方案最简单也容易实现。

四、结束语

总之，随着风力发电技术的逐渐完善，永磁直驱同步风力发电机用于发射台将以较小的成本获得巨大的收益，在降低发射成本的同时可以提高发射运行质量，并将在很大程度上降低台站对电网的依赖并增强抵抗电力故障的能力，为发射台站发展及促进能源结构向绿色、洁净、环保的方面发展做出贡献！

参考文献

［1］郝三存，郑根春.小型风力发电机在通信基站中的应用［N］.通信电源新技术论坛——2010 通信电源学术研讨会论文集，2010.

［2］朱洪波，张俊杰，霍福鹏.新型能源-风力发电在国内外的发展状况［J］.广东输电与变电技术，2004（3）∶9-14.

［3］张伯泉，杨宜民.风力和太阳能光伏发电现状及发展趋势［J］.中国电力，2006，39（6）∶65-69.

［4］朱振宇.通信基站风光互补供电系统设计［J］.浙江水利水电专科学校学报，2009，21（4）∶ 38-41.

［5］钱勇.现代通信电源设备与供电系统的发展［J］.天津通信技术2003，6（2）∶1-5.

［6］邓志辉.直驱式永磁同步风力发电系统的研究［D］.南昌大学，2012.

［7］耿华，杨耕，马小亮.并网型风力发电机组的控制技术综述［J］.电力电子技术，2006，40（6）∶33-36.

［8］张喜茂.直驱风力发电变流器及控制研究［D］.西南交通大学，2010.

基金项目：本文为河南省教育厅科技计划项目《永磁直驱同步风力发电系统中变流器的SVPWM控制技术研究》的部分研究成果，项目编号：14A470006。

作者简介：

辛闻（1982—），河南许昌人，工程师，现供职于河南许昌中波转播台。