風力發電機組功率控制系統研究

胡廣順

內蒙古中廣核風力發電有限公司

風力發電機組功率控制系統研究

胡廣順

內蒙古中廣核風力發電有限公司

電能作為一種應用及其廣泛和方便的二次能源，已經成為目前社會發展不可或缺的條件。當今世界，能源與環境問題并列成為人類社會共同面臨的重大挑戰，影響著人類社會發展的進程與未來。緩解能源危機、開發可再生能源、實現能源的可持續發展成為世界各國能源發展戰略的重大舉措。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利用。我國也將風力發電作為未來能源產業的發展重點。

風力發電；機組；功率控制

時至今日，電力工業仍然在日新月異地發展變化，無論是發達國家還是發展中國家，電力系統的容量在不斷地增大，電力新技術也層出不窮。但是隨著全球經濟的不斷發展和人口大幅度的增長，人類開始面臨著環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境產生了相當嚴重的污染和破壞。這兩方面的問題已經引起全世界各國政府廣泛的重視，已經開始積極開發可持續發展的可利用能源。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，在世界范圍內得到了廣泛使用和迅速發展，發展潛力巨大。

1 風力發電機組

1.1 水平軸風力機和垂直軸風力機

水平軸風力發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，稱作上風向風力發電機組；風輪在塔筒的后面，則稱為下風向風力發電機組。上風向的風機可以通過迎風控制裝置的調節，使風輪時刻保持垂直于來風方向。而對于下風向風力發電機組，由于風輪旋轉面會自動產生垂直于風向的作用力，所以大多數情況下，當風向改變時，并不需要迎風的控制裝置，特別是小型風力發電機組。 垂直軸風力發電機組是指風輪轉軸與風向成直角的風力發電機組，主要有達里厄型﹑直線翼型﹑薩瓦里歐斯式和渦輪型等。垂直軸風力發電機組對于任何方向的來風都時可以旋轉的，所以并不需要迎風轉向裝置。

1.2 升力型風力發電機和阻力型風力發電機

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動的風力發電機組稱為升力型，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電。另一種主要動力是依靠阻力來轉動的風力發電機組稱為阻力型，主要有多翼型﹑薩瓦里歐斯式和渦輪型等。該類風力發電機組不能夠產生比風速高許多的轉速，但是風輪轉軸的輸出扭矩很大。

2 風力發電機組功率控制系統

2.1 總體結構

目前大部分的風力發電機組的控制系統都采用基于 DCS 技術的專門的控制器。這種控制器最大優點是可以選擇多種功能的專用模塊，可以很容易地實現就地控制，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 具有很強的現場適應性，所以在控制程序現場調試及在機組運行時，可以隨時修改控制參數。主控制器對電網﹑風況以及風力發電機組運行參數的監控，就是通過各類安裝在現場的模塊進行的，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，而發出各種控制的指令。

2.2 控制器設計

高風速時，為保持發電機輸出功率保持恒定不變，控制系統是調節風力發電機組的功率系數，將機組的功率輸出界定在允許范圍內；同時控制發電機的轉速隨著功率的輸入作有效而迅速的響應，而保證發電機能夠在允許的轉速范圍內持續工作，同時保持傳動系統具有良好的柔性。風輪的功率系數的調節一般采用兩種方法：1)控制發電機的電磁轉矩來改變發電機的轉速，進而來改變風輪的葉尖速比，保持功率恒定不變；2)通過調節槳葉節距角來改變空氣的氣動轉矩?；蛘?，將兩種方法結合起來。

2.3 風電機率的調節

1)小發電機向大發電機的切換。小發電機向大發電機的切換，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定值或在一定時間內(例如 5min)的平均值達到某一設定值時，通過計算機控制自動切換到大發電機。為完成切換過程，發電機從電網脫離，風力將帶動發電機轉速迅速上升，在轉速接近同步轉速時通過電子開關(晶閘管)并入電網。

2)大發電機向小發電機的切換。當雙速發電機在高輸出功率狀態運行時，若輸出功率在一定時間內(例如 5min)平均值低于某一設定值時，或其輸出功率持續一定時間內低于設定值，通過計算機系統自動地切換為小發電機運行。在大發電機向小發電機切換時，由于在脫網之前，發電機仍處于出力狀態，轉速在1500r/min 以上，脫網后轉速進一步上升，為防止過速，保護裝置應動作，迅速進行軟并網，由電網負載將發電機轉速拖到小發電機額定轉速附近。只要轉速不超過超速保護的設定值，就允許執行小發電機的軟并網。

3)變槳系統由驅動電機﹑減速齒輪箱和變槳軸承﹑傳感器﹑潤滑系統和電控系統組成。驅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齒圈嚙合，實現傳動。變槳軸承為帶內齒的四點接觸球軸承，其外圈連接輪轂，內圈連接葉片，與變槳減速齒輪箱的輸出配合實現變槳動作。

現今世界上的風力發電機組向大型化﹑智能化的方向發展，提高風力發電機組的效率與改善風電電能的品質是風力發電研究的主要目的之一。由于風的隨機性和多變性，使得控制系統具有隨機不穩定性﹑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用中都不是很好。

[1] 鄭平.20kW風力發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電機組仿真研究[D].電子科技大學，2011.

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