风力发电机组功率控制系统研究

胡广顺

内蒙古中广核风力发电有限公司

风力发电机组功率控制系统研究

胡广顺

内蒙古中广核风力发电有限公司

电能作为一种应用及其广泛和方便的二次能源，已经成为目前社会发展不可或缺的条件。当今世界，能源与环境问题并列成为人类社会共同面临的重大挑战，影响着人类社会发展的进程与未来。缓解能源危机、开发可再生能源、实现能源的可持续发展成为世界各国能源发展战略的重大举措。风能作为一种储能丰富，清洁而安全的可再生能源，被世界各国广泛开发利用。我国也将风力发电作为未来能源产业的发展重点。

风力发电；机组；功率控制

时至今日，电力工业仍然在日新月异地发展变化，无论是发达国家还是发展中国家，电力系统的容量在不断地增大，电力新技术也层出不穷。但是随着全球经济的不断发展和人口大幅度的增长，人类开始面临着环境保护和能源减少两方面的压力。一方面，石油﹑煤炭和天然气等石化燃料的储量，由于大量开采而日益减少；另一方面，是使用大量的石化燃料对自然环境产生了相当严重的污染和破坏。这两方面的问题已经引起全世界各国政府广泛的重视，已经开始积极开发可持续发展的可利用能源。作为一种蕴藏量丰富的自然资源，风能因其使用便捷，可再生﹑低成本﹑无污染等特点，在世界范围内得到了广泛使用和迅速发展，发展潜力巨大。

1 风力发电机组

1.1 水平轴风力机和垂直轴风力机

水平轴风力发电机组是指风轮轴与风向平行的风机。主要有螺旋桨型﹑多翼型﹑荷兰型和风帆翼型等。水平轴风机需要风轮始终保持垂直于风吹来的方向。风轮在塔筒的前面，称作上风向风力发电机组；风轮在塔筒的后面，则称为下风向风力发电机组。上风向的风机可以通过迎风控制装置的调节，使风轮时刻保持垂直于来风方向。而对于下风向风力发电机组，由于风轮旋转面会自动产生垂直于风向的作用力，所以大多数情况下，当风向改变时，并不需要迎风的控制装置，特别是小型风力发电机组。 垂直轴风力发电机组是指风轮转轴与风向成直角的风力发电机组，主要有达里厄型﹑直线翼型﹑萨瓦里欧斯式和涡轮型等。垂直轴风力发电机组对于任何方向的来风都时可以旋转的，所以并不需要迎风转向装置。

1.2 升力型风力发电机和阻力型风力发电机

风吹过叶片时所受的空气动力可分解为两个分力，一个是垂直于气流速度的力为升力，另一个是平行于气流速度的力为阻力。主要动力是依靠升力的作用而转动的风力发电机组称为升力型，螺旋桨型﹑达里厄型和直线翼垂直轴型都属于这种类型。因为有升力的作用，风轮的圆周速度可以达到风速的几倍乃至几十倍，因此多被用于风力发电。另一种主要动力是依靠阻力来转动的风力发电机组称为阻力型，主要有多翼型﹑萨瓦里欧斯式和涡轮型等。该类风力发电机组不能够产生比风速高许多的转速，但是风轮转轴的输出扭矩很大。

2 风力发电机组功率控制系统

2.1 总体结构

目前大部分的风力发电机组的控制系统都采用基于 DCS 技术的专门的控制器。这种控制器最大优点是可以选择多种功能的专用模块，可以很容易地实现就地控制，许多控制模块可以作为控制对象的工作点，而直接布置，并且就地采集信号进行处理。减少了了通信线路和控制线路。同时，DCS 具有很强的现场适应性，所以在控制程序现场调试及在机组运行时，可以随时修改控制参数。主控制器对电网﹑风况以及风力发电机组运行参数的监控，就是通过各类安装在现场的模块进行的，而且与其他功能模块始终保持通信，最后对各种情况作出综合全面分析后，而发出各种控制的指令。

2.2 控制器设计

高风速时，为保持发电机输出功率保持恒定不变，控制系统是调节风力发电机组的功率系数，将机组的功率输出界定在允许范围内；同时控制发电机的转速随着功率的输入作有效而迅速的响应，而保证发电机能够在允许的转速范围内持续工作，同时保持传动系统具有良好的柔性。风轮的功率系数的调节一般采用两种方法：1)控制发电机的电磁转矩来改变发电机的转速，进而来改变风轮的叶尖速比，保持功率恒定不变；2)通过调节桨叶节距角来改变空气的气动转矩。或者，将两种方法结合起来。

2.3 风电机率的调节

1)小发电机向大发电机的切换。小发电机向大发电机的切换，一般以平均功率或瞬时功率为预置切换点。当小发电机的输出功率在某个时间点上(一般为10min)的平均功率达到某一设定值或在一定时间内(例如 5min)的平均值达到某一设定值时，通过计算机控制自动切换到大发电机。为完成切换过程，发电机从电网脱离，风力将带动发电机转速迅速上升，在转速接近同步转速时通过电子开关(晶闸管)并入电网。

2)大发电机向小发电机的切换。当双速发电机在高输出功率状态运行时，若输出功率在一定时间内(例如 5min)平均值低于某一设定值时，或其输出功率持续一定时间内低于设定值，通过计算机系统自动地切换为小发电机运行。在大发电机向小发电机切换时，由于在脱网之前，发电机仍处于出力状态，转速在1500r/min 以上，脱网后转速进一步上升，为防止过速，保护装置应动作，迅速进行软并网，由电网负载将发电机转速拖到小发电机额定转速附近。只要转速不超过超速保护的设定值，就允许执行小发电机的软并网。

3)变桨系统由驱动电机﹑减速齿轮箱和变桨轴承﹑传感器﹑润滑系统和电控系统组成。驱动电机为带电磁制动装置的直流电机；变桨减速齿轮箱为三级行星减速齿轮传动，安装在轮毂上，其输出齿轮与安装在轮毂端面的变桨轴承内齿圈啮合，实现传动。变桨轴承为带内齿的四点接触球轴承，其外圈连接轮毂，内圈连接叶片，与变桨减速齿轮箱的输出配合实现变桨动作。

现今世界上的风力发电机组向大型化﹑智能化的方向发展，提高风力发电机组的效率与改善风电电能的品质是风力发电研究的主要目的之一。由于风的随机性和多变性，使得控制系统具有随机不稳定性﹑复杂性﹑强非线性以及建模复杂，对其进行有效的控制相当困难，因而控制方法在实际应用中都不是很好。

[1] 郑平.20kW风力发电机组的最大功率追踪控制[D].北京化工大学，2010.

[2] 周翠云.风电场有功功率控制中的风力发电机组仿真研究[D].电子科技大学，2011.

[3] 王东霞.风力发电机组功率控制系统研究[D].哈尔滨工程大学，2011.