胡廣順

內(nèi)蒙古中廣核風力發(fā)電有限公司

風力發(fā)電機組功率控制系統(tǒng)研究

胡廣順

內(nèi)蒙古中廣核風力發(fā)電有限公司

電能作為一種應(yīng)用及其廣泛和方便的二次能源，已經(jīng)成為目前社會發(fā)展不可或缺的條件。當今世界，能源與環(huán)境問題并列成為人類社會共同面臨的重大挑戰(zhàn)，影響著人類社會發(fā)展的進程與未來。緩解能源危機、開發(fā)可再生能源、實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展成為世界各國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重大舉措。風能作為一種儲能豐富，清潔而安全的可再生能源，被世界各國廣泛開發(fā)利用。我國也將風力發(fā)電作為未來能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點。

風力發(fā)電；機組；功率控制

時至今日，電力工業(yè)仍然在日新月異地發(fā)展變化，無論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，電力系統(tǒng)的容量在不斷地增大，電力新技術(shù)也層出不窮。但是隨著全球經(jīng)濟的不斷發(fā)展和人口大幅度的增長，人類開始面臨著環(huán)境保護和能源減少兩方面的壓力。一方面，石油﹑煤炭和天然氣等石化燃料的儲量，由于大量開采而日益減少；另一方面，是使用大量的石化燃料對自然環(huán)境產(chǎn)生了相當嚴重的污染和破壞。這兩方面的問題已經(jīng)引起全世界各國政府廣泛的重視，已經(jīng)開始積極開發(fā)可持續(xù)發(fā)展的可利用能源。作為一種蘊藏量豐富的自然資源，風能因其使用便捷，可再生﹑低成本﹑無污染等特點，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛使用和迅速發(fā)展，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

1 風力發(fā)電機組

1.1 水平軸風力機和垂直軸風力機

水平軸風力發(fā)電機組是指風輪軸與風向平行的風機。主要有螺旋槳型﹑多翼型﹑荷蘭型和風帆翼型等。水平軸風機需要風輪始終保持垂直于風吹來的方向。風輪在塔筒的前面，稱作上風向風力發(fā)電機組；風輪在塔筒的后面，則稱為下風向風力發(fā)電機組。上風向的風機可以通過迎風控制裝置的調(diào)節(jié)，使風輪時刻保持垂直于來風方向。而對于下風向風力發(fā)電機組，由于風輪旋轉(zhuǎn)面會自動產(chǎn)生垂直于風向的作用力，所以大多數(shù)情況下，當風向改變時，并不需要迎風的控制裝置，特別是小型風力發(fā)電機組。 垂直軸風力發(fā)電機組是指風輪轉(zhuǎn)軸與風向成直角的風力發(fā)電機組，主要有達里厄型﹑直線翼型﹑薩瓦里歐斯式和渦輪型等。垂直軸風力發(fā)電機組對于任何方向的來風都時可以旋轉(zhuǎn)的，所以并不需要迎風轉(zhuǎn)向裝置。

1.2 升力型風力發(fā)電機和阻力型風力發(fā)電機

風吹過葉片時所受的空氣動力可分解為兩個分力，一個是垂直于氣流速度的力為升力，另一個是平行于氣流速度的力為阻力。主要動力是依靠升力的作用而轉(zhuǎn)動的風力發(fā)電機組稱為升力型，螺旋槳型﹑達里厄型和直線翼垂直軸型都屬于這種類型。因為有升力的作用，風輪的圓周速度可以達到風速的幾倍乃至幾十倍，因此多被用于風力發(fā)電。另一種主要動力是依靠阻力來轉(zhuǎn)動的風力發(fā)電機組稱為阻力型，主要有多翼型﹑薩瓦里歐斯式和渦輪型等。該類風力發(fā)電機組不能夠產(chǎn)生比風速高許多的轉(zhuǎn)速，但是風輪轉(zhuǎn)軸的輸出扭矩很大。

2 風力發(fā)電機組功率控制系統(tǒng)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

目前大部分的風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)都采用基于 DCS 技術(shù)的專門的控制器。這種控制器最大優(yōu)點是可以選擇多種功能的專用模塊，可以很容易地實現(xiàn)就地控制，許多控制模塊可以作為控制對象的工作點，而直接布置，并且就地采集信號進行處理。減少了了通信線路和控制線路。同時，DCS 具有很強的現(xiàn)場適應(yīng)性，所以在控制程序現(xiàn)場調(diào)試及在機組運行時，可以隨時修改控制參數(shù)。主控制器對電網(wǎng)﹑風況以及風力發(fā)電機組運行參數(shù)的監(jiān)控，就是通過各類安裝在現(xiàn)場的模塊進行的，而且與其他功能模塊始終保持通信，最后對各種情況作出綜合全面分析后，而發(fā)出各種控制的指令。

2.2 控制器設(shè)計

高風速時，為保持發(fā)電機輸出功率保持恒定不變，控制系統(tǒng)是調(diào)節(jié)風力發(fā)電機組的功率系數(shù)，將機組的功率輸出界定在允許范圍內(nèi)；同時控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨著功率的輸入作有效而迅速的響應(yīng)，而保證發(fā)電機能夠在允許的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)持續(xù)工作，同時保持傳動系統(tǒng)具有良好的柔性。風輪的功率系數(shù)的調(diào)節(jié)一般采用兩種方法：1)控制發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩來改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，進而來改變風輪的葉尖速比，保持功率恒定不變；2)通過調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角來改變空氣的氣動轉(zhuǎn)矩。或者，將兩種方法結(jié)合起來。

2.3 風電機率的調(diào)節(jié)

1)小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換。小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換，一般以平均功率或瞬時功率為預置切換點。當小發(fā)電機的輸出功率在某個時間點上(一般為10min)的平均功率達到某一設(shè)定值或在一定時間內(nèi)(例如 5min)的平均值達到某一設(shè)定值時，通過計算機控制自動切換到大發(fā)電機。為完成切換過程，發(fā)電機從電網(wǎng)脫離，風力將帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)速迅速上升，在轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時通過電子開關(guān)(晶閘管)并入電網(wǎng)。

2)大發(fā)電機向小發(fā)電機的切換。當雙速發(fā)電機在高輸出功率狀態(tài)運行時，若輸出功率在一定時間內(nèi)(例如 5min)平均值低于某一設(shè)定值時，或其輸出功率持續(xù)一定時間內(nèi)低于設(shè)定值，通過計算機系統(tǒng)自動地切換為小發(fā)電機運行。在大發(fā)電機向小發(fā)電機切換時，由于在脫網(wǎng)之前，發(fā)電機仍處于出力狀態(tài)，轉(zhuǎn)速在1500r/min 以上，脫網(wǎng)后轉(zhuǎn)速進一步上升，為防止過速，保護裝置應(yīng)動作，迅速進行軟并網(wǎng)，由電網(wǎng)負載將發(fā)電機轉(zhuǎn)速拖到小發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速附近。只要轉(zhuǎn)速不超過超速保護的設(shè)定值，就允許執(zhí)行小發(fā)電機的軟并網(wǎng)。

3)變槳系統(tǒng)由驅(qū)動電機﹑減速齒輪箱和變槳軸承﹑傳感器﹑潤滑系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。驅(qū)動電機為帶電磁制動裝置的直流電機；變槳減速齒輪箱為三級行星減速齒輪傳動，安裝在輪轂上，其輸出齒輪與安裝在輪轂端面的變槳軸承內(nèi)齒圈嚙合，實現(xiàn)傳動。變槳軸承為帶內(nèi)齒的四點接觸球軸承，其外圈連接輪轂，內(nèi)圈連接葉片，與變槳減速齒輪箱的輸出配合實現(xiàn)變槳動作。

現(xiàn)今世界上的風力發(fā)電機組向大型化﹑智能化的方向發(fā)展，提高風力發(fā)電機組的效率與改善風電電能的品質(zhì)是風力發(fā)電研究的主要目的之一。由于風的隨機性和多變性，使得控制系統(tǒng)具有隨機不穩(wěn)定性﹑復雜性﹑強非線性以及建模復雜，對其進行有效的控制相當困難，因而控制方法在實際應(yīng)用中都不是很好。

[1] 鄭平.20kW風力發(fā)電機組的最大功率追蹤控制[D].北京化工大學，2010.

[2] 周翠云.風電場有功功率控制中的風力發(fā)電機組仿真研究[D].電子科技大學，2011.

[3] 王東霞.風力發(fā)電機組功率控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工程大學，2011.