變槳距風力發電機組變槳與功率控制策略

韓 勇

(大唐四川發電有限公司新能源分公司，四川 成都 610074)

按照電力高質量發展要求，實現2030年碳達峰、2060年碳中和“雙碳”目標[1]，需大力提倡和發展可持續、無污染、清潔、綠色、低碳、環保的新型能源替代現有化石能源，其中風力發電是清潔能源主力軍之一，在電力系統中發揮著重要作用[2]。近年來風力發電在“四新”技術應用下得到迅猛發展，裝機容量與發電量在電網中的占比不斷增加，但風力發電的特點是出力受天氣影響隨機變化大、不及時利用就會自動消失等。為此，通過對風電機組葉尖速比、轉速、變槳與恒功率等控制與優化，使風電機組在隨機變化的風況下安全穩定運行，并最大限度地利用風能資源。

1 風能資源的特點

風能與其他能源形式相比，其特點是：

1)蘊藏量大、分布廣。據世界氣象組織估計，全球風能總容量約1 300億kW[3]，其中可利用風能約為200億kW，為地球上可開發利用水能資源的10倍，平均年發電量高達35萬億kWh。我國風能資源豐富，據推測，經濟可開發量在10億kW以上,2021年底我國風電并網裝機容量達3.284 8億kW，年發電量6 526億kWh，如圖1。

圖1 我國風電裝機及年發電量

2)風能是可再生能源。煤、石油、天然氣、核能等短期內不能再生，消耗一點少一點。風能的源頭是太陽能引起的一種過程性能源，可以循環使用并不斷得到補充，但不能直接儲存，不及時利用就很快消失了。

3)風能利用對環境影響小、運行期間無污染排放。風電項目建設期對植被有一定破壞，但在建成后可采取工程措施、植物措施對破壞的植被進行恢復與美化升級，彌補建設期造成的影響；風電項目建成運行期間有較少的噪聲，且影響范圍很小；風機葉片旋轉的光影僅對鳥類的歇息環境有一定影響。風電項目運行期間不消耗化石資源，不排放SO2、CO2、NOx、粉塵、不耗水，對減少有害物質排放、減輕大氣污染、保護地球環境、減少溫室效應意義顯著。

4)風能能量密度(即風功率密度)低、不同地區差異大、具有不穩定性。風能來源于空氣流動，由于空氣密度小，風能重要缺陷是能量密度很低；受地形、高程、地理位置影響，各地區間或同一地區不同位置風功率密度差異明顯；風能隨季節、天氣、溫度、濕度、日照、比熱容等變化會引起風向、風速、密度等變化，易產生不利的風切變、湍流、渦流，造成風功率密度脈動、波動頻繁。

2 風電機組的基本構造與組成

早期將整個風力發電機組設備稱為風力機或風輪機，現在統稱為風力發電機組，簡稱風電機組。從能量轉換角度看，風電機組由風力機和發電機兩個主要部分組成。風力機主要指風輪(又稱渦輪)部分，作用是將風能轉換為旋轉機械能；發電機則是將旋轉機械能通過切割磁力線轉換為電能。按照風輪旋轉主軸與地面相對位置的關系，風電機組分為水平軸機組與垂直軸機組，目前應用廣泛、單機容量大、優點多的是水平軸風電機組，其主要由基礎、塔架、機艙(雙饋機組中包含發電機、齒輪箱)、永磁發電機(僅直驅機組中包含)、輪轂、葉片、氣象架等組成。按照發電機勵磁方式又可分為直驅風電機組、雙饋風電機組(含半直驅風電機組)。

風電機組中集成有偏航系統、變槳系統、發電系統、通訊系統、監測控制系統、操作系統、安全保護系統(安全鏈)、制動系統、冷卻系統、UPS直流系統、升降系統等。

3 變漿距風電機組槳距調節過程

根據風電機組槳距是否可變，分為定漿距與變漿距兩種型式。由于定槳距風電機組主要應用在早期、小型風電機組中，本文將不作討論，僅討論目前廣泛應用的變槳距風電機組。

變漿距風電機組在滿足開機最低風速時，葉片開槳轉動到合適位置確保葉輪具有最大啟動力矩，實現超低風速下啟動并開始發電。當風速超過額定風速后，并入電網的風電機組能夠通過變槳距限制風力機吸收風能，使風力機輸出相對穩定功率，發電機的出力則可保持在允許范圍內。因此，變槳距風電機組可在風速變化很寬的范圍內保持額定功率發電這一比較理想的狀態，充分利用風能資源提高發電能力。當風電機組需要脫離電網時，變漿系統先轉動葉片使之減小吸收功率，在發電機與電網斷開之前，功率減小至零，避免了定漿距風電機組每次脫網時的突然甩負荷過程，具有對電網沖擊小、對風電機組的塔架、機艙、發電機、輪轂以及基礎沖擊載載荷小的優點，有利于安全穩定運行。

3.1 啟動并網階段的槳距調節

風速達啟動風速并保持一定時間后(一般為10 min)，控制系統與安全系統檢測風電機組各部分的啟機條件滿足要求后，控制系統解除停機指令，由停機狀態進入啟動狀態，葉片開始變槳，發電機轉速快速平穩上升，當轉速達到并網轉速同步范圍時，主控擇機發出指令，連接發電機定子繞組與變頻器的主斷路器合閘，實現并網運行。

風電機組啟動后，若風速減小，轉速將降低，當轉速降低至發電機輸出功率為零時，發電機側斷路器與電網斷開，風電機組收槳，利用葉片平面掃風阻力實現安全停機，待風速滿足要求后再啟動。

3.2 最大風能捕獲階段的槳距調節

并網后，如果風速沒有達到額定風速，發電機送入電網的功率必然小于額定功率，這個階段控制目標是最大限度地利用風能，提高風電機組發電功率，主控系統對變槳系統發出指令，將槳距角設定在最大風能吸收角度(一般為2°～3°)[4-5]，主控通過預先設定好的優化功率曲線，用葉尖速比(葉片葉尖線速度與風速之比)反饋量對發電機的勵磁電流進行調節與控制，讓風力機運行在當前風速下所對應最優葉尖速比的轉速范圍內，實現最大風能捕獲，提高發電功率。

3.3 恒功率控制階段的槳距調節

當風速超過額定風速時，風力機的功率將不斷增大，因此，本階段控制目標是控制機組的功率在額定值附近而不超過功率極限。當發電機達到額定功率附近時，主控系統根據風速大小、風速變化頻率、發電機轉速、輸出功率等，對變槳系統發出指令，通過反饋量控制槳距角，當風速加大時，執行收槳，減少對風能的吸收；風速減小時開槳，加強對風能的吸收。

3.4 超額定風速階段的槳距調節

當風速高于最大發電風速一定時長或瞬時風速超過允許繼續發電風速極值時，為確保風電機組自身與整個系統的安全，風電機組將執行停機命令，由運行轉為停機，此時對應的風速為切出風速和瞬時最大停機風速，主控系統對變槳系統發出指令，變槳系統將葉片順槳(一般在90°)，使風力機盡快降低風能吸收，順槳后葉片平面掃風阻力具有制動效果，快速消耗風電機組葉輪等轉動慣量動能，使發電機轉速降低，當輸出功率減小至零時，發電機側斷路器與電網斷開，風電機組繼續利用葉片平面掃風阻力實現安全停機，待風速滿足許可后再啟動并網。大風脫網停機中，有的機組在停機過程中，同時偏航90°，減少風能的吸收，實現快速停機并保障停機后的機組安全。

3.5 特殊情況下的槳距調節

如果風力機吸收能量大于阻力消耗能量時，會使轉速不斷升高造成飛車，飛車會引起風電機組載荷超過所能承受的極限而導致倒塔、著火等毀滅性事故，其損失慘重，影響惡劣。因此，風電機組設計時要能在特殊、極端與緊急情況下實現順槳停機，是保證風電機組安全穩定的關鍵。

1)并網情況下的緊急停機。當影響安全運行事件(如振動超限、轉速超速等)發生時，緊急停機激活，將觸發安全鏈動作，主控制器或安全鏈對變槳系統發出緊急收槳指令，風電機組變槳系統執行快速收槳動作，減小吸收風能并形成葉片平面掃風的阻尼板作用，使發電機轉速迅速下降，發電機向電網輸出功率急速減少，當輸出功率為零時，發電機側斷路器與電網斷開，葉輪、發電機等轉動慣量中儲存的能量利用葉輪順槳后的平面掃風阻力制動最終使轉速接近為零，風電機組實現安全停機。

2)意外脫網情況下的緊急停機。當電網故障、集電線路故障、箱變故障、變流器故障等造成系統電壓突然消失或發電機與電網斷路器意外跳閘時，風電機組出現突然甩負荷，阻礙轉速上升的電磁力矩消失，在風力作用下，如果不迅速收槳制動，將會造成轉速異常快速上升，導致飛車倒塔、過負荷發熱著火的嚴重后果。

此時，變槳系統失去系統電源，進入緊急停機程序，觸發安全鏈動作，采用液壓儲能、超級電容或蓄電池供電方式驅動變槳電機緊急收槳，葉輪順槳后形成平面掃風產生阻力制動，使風機快速停止轉動。為確保在意外脫網情況下能實現緊急停機，風電機組設計時已考慮超級電容或蓄電池容量為能完成兩次收槳；風電機組正常運行期間，每隔一定時間(如一周或發電運行168 h)進行一次收槳自檢，通過后才能正常運行。緊急情況下，風電機組只要能收回兩只槳葉，利用順槳后形成的平面掃風阻力就能實現安全停機。

采用直驅永磁發電機的風電機組，脫網停機過程中所發出的電能由專門回路接通緊急停機電阻耗能組件，通過電阻組件消耗發電機發出的電能，防止系統電壓因空載異常升高損壞電氣元件。雙饋風電機組因系統電源消失后無勵磁電流，不會輸出大量的電能，因此無需緊急停機耗能組件。

4 變槳距恒功率控制的思路與優化運行策略

由于自然界風速隨機頻繁變化，變槳距風電機組將運行在各個工況下，輸出功率若僅僅通過槳距調節，存在滯后與功率輸出波動頻繁、發出的電能質量低等不利情況。因此恒功率控制的目的是為了提高電能質量、解決頻繁槳距調節等問題。

4.1 變槳距功率控制的特點及新技術的采用

風電機組通過變槳距方式實現恒功率控制，其特點如下：

變槳距控制實質上是通過改變槳距角而改變風力方向與葉片的攻角來控制風力機的驅動轉矩，因此風力機的氣動特性是變槳距系統的主要特性。通過風力機氣動特性可知，風力機的葉輪從風中吸收能量的能力曲線(用CP表示)如圖2，與風力機葉輪葉尖速比和槳距角呈非線形函數[3]。從圖2可以看出，轉速從0升至A點達并網轉速時，風電機組并入電網，并由發電機向電網輸出功率B，稱為轉速提升并網階段；轉速沒達到最大額定轉速前，風力機吸收能量的能力CP為全開槳的最大值，轉速持續上升，主控系統控制發電機勵磁電流，使功率也跟著上升，轉速提升超前于功率提升，至C點轉速達到最大額定轉速，稱為恒CP階段；之后，通過增加發電機勵磁電流加大功率輸出，增加發電機電磁轉矩，控制轉速不再提升，進入轉速恒定功率提升階段；當功率達到額定功率附近D時，變槳系統通過收槳，此時利用風電機組的轉動慣量與發電機勵磁電流調節保持功率輸出恒定，轉速則通過變槳與發電機勵磁電流反饋進行動態調整，從而最大限度的利用風能量，此階段為恒功率輸出階段。

圖2 變槳距變速風電機組轉速-功率關系

風電機組達到額定功率前，控制器將葉片槳距角置于0°附近，最大限度吸收風能不作調整，發電機的功率根據葉片的氣動性能隨風速的變化而變化。當功率超過額定功率時，變槳距機構開始工作，調整槳葉角度，將發電機輸出功率限制在額定值附近。但是，隨著目前并網風電機組容量不斷增大，風機單只葉片重量已達數十噸，葉輪直徑達200 m左右，要操作如此巨大的慣性體，并且響應速度要能跟得上隨機變化的風速是相當困難的。事實上，如果沒有其他措施，通過變槳距調節來達到調整輸出功率仍然是無能為力的。因此，變槳距風電機組除了對槳葉進行槳距控制外，還通過控制發電機轉子電流來調節發電機轉差率[6]，使發電機轉速在一定范圍內能夠快速響應風速的變化，并保持發電機輸出功率基本不變，將瞬變的風能轉換為轉動慣能儲存或釋放，讓輸出功率曲線更加平穩。

4.2 額定功率前的運行優化策略

風機啟動并網后，由于風速低于額定風速，發電機在額定功率以下低功率(欠功率)狀態運行，早期的風電機組在本階段不加控制，其功率輸出取決于槳葉的氣動性能。近年來，為改善超低風速時風力機槳葉氣動性能，采用了根據風速大小、調整發電機轉差率、使其盡量運行在最佳葉尖速比，達到充分吸收風能、優化功率輸出的目的。其控制信號采用風速變化穩定的低頻分量，對風速變化隨機波動的高頻分量并不響應。

4.3 額定功率狀態下的運行優化策略

當風速達到額定風速并在切除風速范圍內時，風電機組進入管理功率狀態，在以前傳統的變槳距風電機組控制方式中，將轉速控制切換到功率控制，變槳距系統開始根據發電機的功率信號反饋，與給定的額定功率這一恒定值比較來控制槳距角，當功率超過額定功率時，槳葉槳距就向迎風面積減小的方向轉動一個角度，反之亦反，如圖3。

圖3 變槳距風電機組控制

由于特大型機組葉輪巨大轉動慣量和受變槳距系統響應速度的限制，對快速隨機變化的風速，通過改變槳距來控制功率的效果并不理想。因此，新設計的變槳距風電機組在進行功率控制過程中，其功率反饋信號不再作為直接控制槳葉槳距的變量，而是采用變槳角度和發電機轉速雙控制。當隨機風速產生的高頻分量引起風力機轉動機械能量波動，通過迅速改變發電機轉子電流控制器對發電機轉差率進行控制，用轉速變化形成的轉動慣量來應對風能量的波動，當風速突然升高時，為保持發電機輸出功率恒定，通過減小勵磁電流允許發電機轉速升高，將瞬變的風能量以風輪轉動慣量動能的形式儲存起來；當陣風過后瞬時風速降低，同樣通過對發電機轉差率的逆控制，降低轉速將動能釋放出來，使風電機組始終運行在最優葉尖速比狀態，達到理想的最優功率曲線，實現穩定輸出功率和最大利用風能的目的。

5 結 語

本文根據風資源的特點，重點討論分析了變槳距風力發電機組變槳與功率控制技術與策略，從充分利用風資源、輸出穩定功率、安全啟停機、恒功率運行等方面進行了闡述。隨著新技術應用和風電裝機在電網占比不斷增大，對風力發電電能質量與控制技術提出新要求，除輸出穩定功率外，要求風電機組具備有功/無功控制能力、高電壓穿越能力和低電壓穿越能力、電壓和頻率適應能力、風電場建模、一次調頻等，使風資源更加安全、穩定、智能、智慧、高效的開發利用，將為我國實現“碳達峰、碳中和”雙碳目標做出積極貢獻。