小型風力發電系統設計探究

蘆定雄

摘 要：隨著科學技術的發展，新能源普及的提升，風力發電成為一種環保而時尚的方式。基于這個背景，本文結合相關技術理論，設計了該項小型風力發電系統。首先，本文簡要的介紹了小型風力發電系統的整體構成，并細致的介紹了其運作的特點。隨后，本文從應用的實際出發，有針對性的分析了小型風力發電機控制系統的選擇。綜合上述內容，本文也提出了在設計實踐中風機的核心控制策略，旨在為相關工作者提供有價值的參考與借鑒。

關鍵詞：小型風力發電系統；設計；探究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.082

0 引言

隨著科學技術的發展，“十三五”規劃的推進，新能源戰略已逐步的深入人心。與太陽能和水能一樣，風能同樣也是干凈的可再生能源。和自然界當中的煤或是石油有所不同，風能不像這些礦物燃料最終會使用殆盡，它是一種取之不完，用之不盡的清潔型能源。通過對風能進行利用，風力發電將其轉變成電能，給廣大用戶提供電力能源。因此，風力發電系統得到了人們的廣泛的關注。特別是新能源普及的提升，風力發電成為一種環保而時尚的方式更是受到人們的青睞。在此背景下，如何設計出一套應用方便，造價低廉的小型風力發電系統成為時下較為熱門的話題。

1 當前我國小型風力發電機的常見技術種類

從我國當前的小型發電機的技術類型來看，主要分為上風向和下風向兩大類別，其中上風向分別包括恒速運行，葉片被動進行失速調節，尾翼被動偏航以及變速或者定速運行，機械被動變槳、主動控制偏航接兩個類型。前者的機構上比較簡單，對其進行起來比較容易，然而功率的穩定性能較低，特別遇到風力較大的狀況就很容易出現破損。后者與前者相比，安全性能相對較高，然而因而使用的是機械被動變槳，所以很難確保可以較長時間的安全可靠運行，同時其功率穩定上依然較低。從下風向來來看，包括變速或定速運行，機械被動定槳距或變槳，該類型在安全特性上較好，所需要的成本較低，然而對整機很難進行控制，且對風的精確度不高，對風能的利用率較低。

2 小型風力發電系統的整體構成及優勢分析

從結構上來分析，小型風力發電機的組成部分是一個相互聯系、相關制約的系統，具體來說，包括了槳葉，輪轂，變流器，主控制系統，蓄電池，偏航系統，永磁同步發電機，變槳系統，風速風向儀等各類傳感器以及塔架等部分。通過這樣的構架，這類發電系統具備著與傳統發電設備相比的特殊優勢：其一，各個部件采用新型材料，實用性強，重量低，強度高，槳葉和輪轂不易破損；其二，電機的偏航程序由偏航調控裝置來實現主動偏航，這與傳統的偏航系統相比，操作更加便捷，可靠性也更強；其三，突破傳統的勵磁方式，通過稀土永磁裝置完善主發電機，使其運作效率更高，控制更加便捷。此外，該系統還將工業控制計算機系統融入其中，使其在運作的過程中更加的靈活；其四，電網控電系統優化，當遇到特殊情況時，及時系統的電網突然斷電，蓄電池也能繼續發揮其作用，最大限度的保障電機組裝置；其六，設備靈敏度強，即使在復雜的環境之下，超聲波風速風向儀也能在最短的時間內地測量出實時風速，并精確的傳達到控制器；最后，偏航系統采用的絕對值編碼器能記錄機船旋轉的角度，能預防機艙朝一個方向旋轉過多而造成纜線纏繞。

同時，對于風電機組的整體設計上，也做了極大的優化。例如，在風電機組設計之初，就將偏航控制裝置、變槳裝置設計到風電機組的內部，并對外殼進行了強化。因此，及時遭遇惡劣天氣，風電機組也不容易受到損壞。與此同時，為了方便操作人員對風電機組進行維護和日常保護，本系統也對機船蓋進行了優化的設計，不僅可以靈活的打開，而且將風向儀裝置在其上方，從而既確保了風電機組的安全性，也保障了風力測量的精準度。更值得注意的是，本系統還額外的設計了塔架裝置，旨在機組能夠適應較高的風速，并通過連線的優化，使其信號直接接入主控制器中。

3 小型風力發電機控制系統的選擇分析

風的隨機性很大，例如風向在不同時刻是不同的，同時風速的變化很大，有時風速很大，有時風速幾乎為零。鑒于風能的不穩定性，加大了風力發電的難度。這給風機的控制系統的設計造成了不少的難度。同時，風機一般運行在風能資源豐富的邊遠區域，海島或者海上，而這些地方一般無人值班，因此，風機必須具備無人自動運行的能力或者遠程監控運行的能力，這進一步加重了控制系統設計的難度。

在實際的操作運行過程中可知，此類風電機組也在很大程度上受到高度限制，特別是周圍存在障礙物也會干擾風況。因此，此類風力發電機是工作在風的斎流區域，但是無規律的風況變化也會在一定程度上對風電機組造成一定的破壞，也極大的增加了風電機組的重量負荷。從這個意義上講，該類風電機組的設計，必須在廣泛調研實際運作環境的基礎上，本著可靠性和穩定性的原則，完善風電機組的調控系統，有針對性的解決問題。具體來說，風電機組的調控系統是整個小型風電機的核心組成部分，是安全性的根本性保障。從傳統的風電機設計來看，大多風電機都采用了配套研發的控制器，這類控制器雖然能夠對電流輸出控制起到一定的效用，但實際運作中也容易產生各種各樣的問題。

在新的形勢之下，國外風力發電機組的控制系統基本都使用集散型或分布式工業控制計算機，并且在符合自身實際的基礎上，配套有專用模塊來實現各種功能，控制設計以及程序現場調試都非常方便。從這個意義上來講，仿照國內大型風力發電機控制系統和國外風力發電機控制系統，用工業控制計算機作為小型風力發電機控制系統的主控制器，分模塊化進行控制，每個模塊都有獨立的控制器或者驅動設備，它們和主控制器一起來實現整個系統的控制。風機控制系統的整體控制框圖如圖1所示。

其中，小型風力發電機控制系統要實現有效的運作，必須以工控機為核心。具體來說，風電機組的工控機具有檢測風況數據，匯總分析數據，異常與風險問題研判，控制風電機組模塊系統運行等功能。值得特別注意的是，當遭遇突發情況，工控機不僅能自行的做出判斷，而且能夠在第一時間內啟動保護裝置。對于此類發電機組而言，其工控機在實際運作中具備以下幾個方面的特點：其一，高工控機能夠在保證安全的前提下，第一時間接受各類傳感器檢測到的實時數據，從而掌握風況以及風力發電機運行狀態，具體包括風速，風向，主發電機轉速，主發電機等組件溫度，變流器輸出的有功功率等等。其二，根據檢測到的風速和轉速等數據，額定功率以前，通過變流器來控制主發電機進行最大功率追蹤等等。額定功率以后，控制變槳系統來保持主發電機額定功率發電。其三，根據檢到的風速和轉速等數據，來控制偏航系統，變槳系統工作。其四，根據檢測到的風速和轉速等數據，來控制是否執行保護動作，即電動剎車等等。

4 風機核心控制分析

從理論上來分析，風力發電機的控制有兩個方面的目的：一是對風電機組的運作功率進行調整，而是在設備可控范圍內，實現最大限度的風能捕捉。這兩個方面功能的實現，是以工控機為核心的。具體來說，風電機組的工控機的主要作用就是將各方面的信號數據進行匯總，并通過固定的算法進行準確的數據判斷。而具體的運作任務，則由控制偏航系統，變槳系統和變流器等裝置來負責實施。

具體來說，偏航系統和變槳系統通過工控機發出的數據信號，調相應的動作，在確保風電機組安全運行的基礎上，最大限度的捕捉風能。對于運作功率調整的工作而言，則是由風電機組的變流器來實現。從性質上來看，功率的調整主要分為兩個部分，一是最大功率追蹤，二是對機組功率。進一步來說，所謂最大功率追蹤就是在保證一定承受限度之內使其最大功率輸出。所謂功率轉換就是將主發電機發出的電能，整流逆變后送到電網上去，確保發出高質量的電能。綜合上述分析可知，風力發電機的核心控制策略，就是風電機組的工控機匯總各類數據并進行決策，并通過偏航系統，變楽系統以及變流器等裝置來實現目標的過程和方法。

5 結論與展望

在新能源戰略背景之下，本文簡要的介紹了小型風力發電系統的整體構成，并有針對性的分析了小型風力發電機控制系統的選擇，也提出了在設計實踐中風機的核心控制策略，旨在為相關工作者提供有價值的借鑒。同時值得注意的是，隨著科學技術的日新月異，小型風電發電系統在應用中也會不斷的產生一系列新情況與新問題，對于內部結構的優化也將面臨新的挑戰。對此，相關設計者應當從具體的應用實際出發，不斷完善技術理論，使小型風力發電機的系統設計更加的科學，從而更好的造福于人。

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