风功率控制系统对风机变桨系统的影响

马庆杰

摘 要：风电是一种具有间歇性、波动性的电源，大规模风电场的建设给电网调度和运行都带来了挑战。国家电网公司制定的Q/GDW 392-2009《风电场接入电网技术规定》中指出，风电场应具备有功功率调节能力，能根据电网调度部门指令控制其有功功率输出。因此，为了实现对有功功率的控制，风电场需配置有功功率控制系统，接收并自动执行调度部门远方发送的有功功率控制信号，确保风电场最大有功功率值及有功功率变化值不超过电网调度部门的给定值。在电网紧急情况下，风电场应根据电网调度部门的指令控制其输出的有功功率，并保证风电场有功功率控制系统的快速性和可靠性。必要时，可通过安全自动装置快速自动切除或降低风电场有功功率，但是在很好地完成调节风机功率输出的同时，功率控制系统的使用也大大缩短了风机变桨系统部件的使用寿命，在一定程度上增加了风电企业的发电成本，文章对风功率控制系统的使用中有利与弊进行了分析。

关键词：风电；功率控制；风机与电网的影响

中图分类号： TM315 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）28-186-2

0 引言

现在国内很多风力发电企业均使用了风力控制系统来对风电场功率进行控制，以满足电网对风功率的要求，同时也方便了风电场的工作，在电网要求控制负荷时不需要进行手动操作那样频繁的启停风机，取而代之的是在风功率控制系统上输入指定数值，从而达到这样方便快捷的效果，但这样的方便快捷是靠大大加重风机变桨系统工作量，是变桨原件频繁工作变桨换来的。

1 风电场功率控制系统作用

①在风速允许的情况下，风电场控制功率在0到额定容量之间根据设定调节。

②自动调节有功功率：系统能自动控制风电场的有功功率输出，使总有功功率保持在限定目标值附近，控制误差平均在±10%以内。

③风电场有功功率自动调节遵循“允许更多风机运行”的控制主策略，采用混合方式进行功率控制，及风机限功率和停机并存的方式，所有风机采用轮停的方式停机，可避免风机长时间的停机，对停机超过限定的时间的机组自动重启。

④系统可与电网调度中心进行连接，接收远程调度的控制指令，根据指令手动或自动开启功率自动控制功能，进行风电场有功功率智能调节。

⑤可设置由于特殊原因不能进行调节操作的机组不停电，也可以根据现场需要优先调控选定的风机。

⑥可以计算风电场的当前的理论有功功率，统计限电条件下的损失功率，并将该值上传给调度中心。

⑦风速预警：系统可以设定某风速值作为预警风速，当风电场任意一台机组的瞬时风速超过该值时，系统会以语言或屏幕提示信息的形式进行报警，提醒风电场值班人员引起注意，风电场进入大风状态。

⑧功率超限预警：当打开系统的功率超限预警功能后，对风电场设定某个限定负荷值，风电场实时的有功负荷一旦超过限定值，系统即以语言或屏幕提示信息的形式进行报警，提醒风电场值班人员引起注意。

⑨风电场功率控制的结构图：

2 有功功率调节

根据电网的调度指令，在保证风机的使用寿命，减少风机故障的前提下，采用变浆及启停机的方式对风电场的有功出力进行在线动态调整。

目前主要有两种调节功率的方法，都是采用空气动力方法进行调节的，分别是失速调节法、变桨距调节办法；

2.1 失速控制

失速控制主要是利用气流流经翼型时，随着迎角的增加，翼型上的气流边界层逐渐从翼型表面分离，最终完全脱离翼型表面的原理进行的。

失速型风电机组的叶片是以一个固定角度安装在轮毂上，这个角度称为安装角。叶片的迎角延叶片轴向从根部向叶尖逐渐减少。随着风速的增加，气流边界层首先从靠近也跟部分开始分离，边界层分离的位置逐渐向叶尖扩展，原来已经分离的部分的分离程度加深。由于叶片表面气流边界层分离，叶片的升力系数逐渐减小，由于风速不断增大，而叶轮输出的功率与风速的3次方成正比，尽管叶片的升力系数在减小，但是风电机组的输出功率却依然在增加，直至全部叶片进入完全失速区，风电机组的功率才降下来。

当超过额定风速时，叶片迎角进入失速区，气动阻力变得很大，轴向推力随着风速增加而增加。因此，失速型风轮产生的轴向推力，随着风速逐渐增加时推力会增加，而且当功率恒定或稍微下降时也会这样。失速型机组的各个部件与变桨距控制机组相比所承受的单位载荷要大。叶片失速后，阵风对机组功率波动影响不大，因为失速后升力随风速的变化不大。所以在这个范围内产生的功率波动变化也不大。

失速控制型风轮优缺点如下：

优点是：叶片和轮毂之间无运动部件，轮毂结构简单，费用低；没有功率调节系统的维护费；在失速后功率的波动相对小。

缺点是：气动刹车系统可靠性设计和制造要求高；叶片、机舱和塔筒上的动态载荷高；由于常需要刹车过程，在叶片和传动系统中产生很高的机械载荷；启动性差；机组承受的风载荷大；在低空气密度地区难于达到额定功率。

2.2 变桨距控制

变桨距控制是应用翼型的升力系数与气流迎角的关系，通过改变叶片的桨距角而改变气流迎角，使翼型升力变化来进行调节的。

在低风速时，叶片的迎角越大，以获得较大的升力和转动力矩，随着风速增加到一定时，开始调节桨距角，以增加桨距角使迎角变小，在保持获得最大功率输出的同时防止气流边界层脱离叶片表面。当风速达到额定风速时，通过调节桨距角保持叶轮稳定的转速和扭矩，以稳定风电机组的功率输出，变桨距机组的控制系统通过叶片和轮毂之间变桨系统转动叶片来调节桨距角。

变桨距机组的叶片在机组停止时桨距角为90°。此时，气流对叶片不产生转矩，整个桨叶实际上是一块气流阻尼板。当风速达到启动风速时，桨叶向0°方向转动，直到气流对桨叶产生一定的迎角，风轮获得足够的启动力矩开始转动。在风速低于额定风速时，机组控制系统根据风速的大小调整发电机的转差率，使叶轮尽量运行在最佳叶尖速比条件下。当风速达到或超过额定风速时，控制系统调节桨距角，保持机组输出功率稳定。

变桨距控制风轮优缺点如下：

优点是：启动性好；刹车机构简单，叶轮顺桨后风轮转速可以逐渐下降；额定点以后的输出功率平滑；风轮叶根承受的静、动载荷小。

缺点是：由于有叶片变桨机构、轮毂比较复杂，可靠性设计要求高，维护费用高；功率调节系统复杂；

3 实际应用过程中的影响

事实上只有通过变桨原件频繁工作才能换来稳定的风能输出，对变桨系统原件产生了较大的压力，加快了变桨原件老坏、损坏。单台风机功率最低只能控制在5000kW，如果电网控制功率仍需对风机进行手动停止，另外在输入功率控制的数值后，叶片桨叶开始频繁的变桨，致使风机报出变桨电机过流、变桨电机电流不对称、变桨电机温度高、变桨驱动器故障等，同时还使得变桨系统接触器频繁吸合，加快了老化速度，由于过快的老化还致使接触器卡涩导致更严重的变桨电机与变桨电池损坏。但是会不会是由于不是风机原装的功率控制系统才对风机产生这样的影响呢？其实不然，还是在内蒙的某风电场，风机原装自带可进行功率控制的系统，但是在进行功率控制的使用过程中，风机变桨系统仍然是频繁的进行变桨，另外由于电网在要求较低负荷输出时，部分风机会反复的启停，通过观察各部件的运行情况发现这样频繁的启停仍然使部件发生温升，但不至于风机故障停机。

4 总结

风电场通过集中控制策略协调控制所有风机的有功功率，可以有效地为电网提供稳定高效的风场电能，改善风电并网的电压稳定性。但是不能充分考虑风力发电机组自身的运行情况，这样会使得一些发电企业发电成本增高，如何在设备良性稳定的运行情况下利用风功率系统还需进一步的研究。

参 考 文 献

[1] 杨校生.风力发电技术与风电场工程[M].化学工业出版社，2012（01）.