風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率控制系統(tǒng)研究

胡廣順

內(nèi)蒙古中廣核風(fēng)力發(fā)電有限公司

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率控制系統(tǒng)研究

胡廣順

內(nèi)蒙古中廣核風(fēng)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(dāng)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(jìn)程與未來。緩解能源危機(jī)、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(fēng)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(fēng)力發(fā)電作為未來能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點。

風(fēng)力發(fā)電；機(jī)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(dá)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(jì)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(hù)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(dāng)嚴(yán)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組

1.1 水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)

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

1.2 升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)

風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組稱為升力型，螺旋槳型﹑達(dá)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(fēng)輪的圓周速度可以達(dá)到風(fēng)速的幾倍乃至幾十倍，因此多被用于風(fēng)力發(fā)電。另一種主要動力是依靠阻力來轉(zhuǎn)動的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組不能夠產(chǎn)生比風(fēng)速高許多的轉(zhuǎn)速，但是風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸的輸出扭矩很大。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率控制系統(tǒng)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

目前大部分的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jìn)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(jī)組運行時，可以隨時修改控制參數(shù)。主控制器對電網(wǎng)﹑風(fēng)況以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jìn)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(fēng)速時，為保持發(fā)電機(jī)輸出功率保持恒定不變，控制系統(tǒng)是調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率系數(shù)，將機(jī)組的功率輸出界定在允許范圍內(nèi)；同時控制發(fā)電機(jī)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(jī)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(fēng)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(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩來改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而來改變風(fēng)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(fēng)電機(jī)率的調(diào)節(jié)

1)小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)的切換。小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)的切換，一般以平均功率或瞬時功率為預(yù)置切換點。當(dāng)小發(fā)電機(jī)的輸出功率在某個時間點上(一般為10min)的平均功率達(dá)到某一設(shè)定值或在一定時間內(nèi)(例如 5min)的平均值達(dá)到某一設(shè)定值時，通過計算機(jī)控制自動切換到大發(fā)電機(jī)。為完成切換過程，發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)脫離，風(fēng)力將帶動發(fā)電機(jī)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(jī)向小發(fā)電機(jī)的切換。當(dāng)雙速發(fā)電機(jī)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(jī)系統(tǒng)自動地切換為小發(fā)電機(jī)運行。在大發(fā)電機(jī)向小發(fā)電機(jī)切換時，由于在脫網(wǎng)之前，發(fā)電機(jī)仍處于出力狀態(tài)，轉(zhuǎn)速在1500r/min 以上，脫網(wǎng)后轉(zhuǎn)速進(jìn)一步上升，為防止過速，保護(hù)裝置應(yīng)動作，迅速進(jìn)行軟并網(wǎng)，由電網(wǎng)負(fù)載將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速拖到小發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速附近。只要轉(zhuǎn)速不超過超速保護(hù)的設(shè)定值，就允許執(zhí)行小發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng)。

3)變槳系統(tǒng)由驅(qū)動電機(jī)﹑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(jī)為帶電磁制動裝置的直流電機(jī)；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(fēng)力發(fā)電機(jī)組向大型化﹑智能化的方向發(fā)展，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率與改善風(fēng)電電能的品質(zhì)是風(fēng)力發(fā)電研究的主要目的之一。由于風(fēng)的隨機(jī)性和多變性，使得控制系統(tǒng)具有隨機(jī)不穩(wěn)定性﹑復(fù)雜性﹑強非線性以及建模復(fù)雜，對其進(jìn)行有效的控制相當(dāng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大功率追蹤控制[D].北京化工大學(xué)，2010.

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

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