大型風力發(fā)電機組調(diào)向功率的探討

　　摘要：隨著煤碳、石油等能源的逐漸枯竭，人類越來越重視可再生能源的利用。而風力發(fā)電是可再生能源中最廉價、最有希望的能源，并且是一種不污染環(huán)境的“綠色能源”。目前國外數(shù)百千瓦級的大型風電機組已經(jīng)商品化，兆瓦級的風力發(fā)電機組也即將商品化。

　　1 前言

　　隨著煤碳、石油等能源的逐漸枯竭，人類越來越重視可再生能源的利用。而風力發(fā)電是可再生能源中最廉價、最有希望的能源，并且是一種不污染環(huán)境的“綠色能源”。目前國外數(shù)百千瓦級的大型風電機組已經(jīng)商品化，兆瓦級的風力發(fā)電機組也即將商品化。全世界風電裝機總?cè)萘恳殉^1000萬千瓦，單位千瓦造價為1000美元，發(fā)電成本為5美分/千瓦時，已經(jīng)具有與火力發(fā)電相競爭的能力。
　　我國的風能資源豐富，理論儲量為16億kW，實際可利用2.5億kW，有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?995年初，國家計委、科委、經(jīng)貿(mào)委聯(lián)合發(fā)表了《中國新能源和可再生能源發(fā)展綱要（1996～2010）》。1996年3月，國家計委又制定了以國產(chǎn)化帶動產(chǎn)業(yè)化的風電發(fā)展計劃，即有名的“乘風計劃”，為我國風力發(fā)電技術(shù)國產(chǎn)化指明了方向，創(chuàng)造了條件。同時，我國也是利用風能資源進行風力發(fā)電、風力提水較早的國家，到1996年底，我國小型風力發(fā)電機組保有量達15萬臺，年生產(chǎn)能力為3萬臺，均居世界首位。

　　2 風力發(fā)電機組的類型

　　2.1 恒速恒頻與變速恒頻
　　在風力發(fā)電中，當風力發(fā)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)時，要求風電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即保持頻率恒定。恒速恒頻即在風力發(fā)電過程中，保持風車的轉(zhuǎn)速（也即發(fā)電機的轉(zhuǎn)速）不變，從而得到恒頻的電能。在風力發(fā)電過程中讓風車的轉(zhuǎn)速隨風速而變化，而通過其它控制方式來得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻。
　　2.2 兩種類型機組的性能比較
　　由于風能與風速的三次方成正比，當風速在一定范圍變化時，如果允許風車做變速運動，則能達到更好利用風能的目的。風車將風能轉(zhuǎn)換成機械能的效率可用輸出功率系數(shù)CP來表示，CP在某一確定的風輪周速比λ（槳葉尖速度與風速之比）下達到最大值。恒速恒頻機組的風車轉(zhuǎn)速保持不變，而風速又經(jīng)常在變化，顯然CP不可能保持在最佳值。變速恒頻機組的特點是風車和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率。由于風車的轉(zhuǎn)速可變，可以通過適當?shù)目刂疲癸L車的周速比處于或接近最佳值，從而最大限度地利用風能發(fā)電。
　　2.3 恒速恒頻機組的特點
　　目前，在風力發(fā)電系統(tǒng)中采用最多的異步發(fā)電機屬于恒速恒頻發(fā)電機組。為了適應(yīng)大小風速的要求，一般采用兩臺不同容量、不同極數(shù)的異步發(fā)電機，風速低時用小容量發(fā)電機發(fā)電，風速高時則用大容量發(fā)電機發(fā)電，同時一般通過變槳距系統(tǒng)改變槳葉的攻角以調(diào)整輸出功率。但這也只能使異步發(fā)電機在兩個風速下具有較佳的輸出系數(shù)，無法有效地利用不同風速時的風能。
　　2.4 變速恒頻系統(tǒng)的實現(xiàn)
　　可用于風力發(fā)電的變速恒頻系統(tǒng)有多種:如交一直一交變頻系統(tǒng)，交流勵磁發(fā)電機系統(tǒng)，無刷雙饋電機系統(tǒng)，開關(guān)磁阻發(fā)電機系統(tǒng)，磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)，同步異步變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)等。這種變速恒頻系統(tǒng)有的是通過改造發(fā)電機本身結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)變速恒頻的;有的則是發(fā)電機與電力電子裝置、微機控制系統(tǒng)相結(jié)合而實現(xiàn)變速恒頻的。它們各有其特點，適用場合也不一樣。為了充分利用不同風速時的風能，應(yīng)該對各種變速恒頻技術(shù)做深入的研究，盡快開發(fā)出實用的，適合于風力發(fā)電的變速恒頻技術(shù)。

　　3　恒速恒頻風電機組的控制

　　3.1 風電機組的軟啟動并網(wǎng)
　　在風電機組啟動時，控制系統(tǒng)對風速的變化情況進行不間斷的檢測，當10分鐘平均風速大于起動風速時，控制風電機組作好切入電網(wǎng)的一切準備工作:松開機械剎車，收回葉尖阻尼板，風輪處于迎風方向。控制系統(tǒng)不間斷地檢測各傳感器信號是否正常，如液壓系統(tǒng)壓力是否正常，風向是否偏離，電網(wǎng)參數(shù)是否正常等。如10分鐘平均風速仍大于起動風速，則檢測風輪是否已開始轉(zhuǎn)動，并開啟晶閘管限流軟起動裝置快速起動風輪機，并對起動電流進行控制，使其不超過最大限定值。異步風力發(fā)電機在起動時，由于其轉(zhuǎn)速很小，切入電網(wǎng)時其轉(zhuǎn)差率很大，因而會產(chǎn)生相當于發(fā)電機額定電流的5～7倍的沖擊電流，這個電流不僅對電網(wǎng)造成很大的沖擊，也會影響風電機組的壽命。因此在風電機組并網(wǎng)過程中采取限流軟起動技術(shù)，以控制起動電流。當發(fā)電機達到同步轉(zhuǎn)速時電流驟然下降，控制器發(fā)出指令，將晶閘管旁路。晶閘管旁路后，限流軟起動控制器自動復(fù)位，等待下一次起動信號。這個起動過程約40S左右，若超過這個時間，被認為是起動失敗，發(fā)電機將被切出電網(wǎng)，控制器根據(jù)檢測信號，確定機組是否重新起動。
　　異步風電機組也可在起動時轉(zhuǎn)速低于同步速時不并網(wǎng)，等接近或達到同步速時再切入電網(wǎng)，則可避免沖擊電流，也可省掉晶閘管限流軟啟動器。
　　3.2 大小發(fā)電機的切換控制
　　在風電機組運行過程中，因風速的變化而引起發(fā)電機的輸出功率發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)發(fā)電機輸出功率的變化對大小發(fā)電機進行自動切換，從而提高風電機組的效率。具體控制方法為:
　　（1） 小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換
　　在小發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電期間，控制系統(tǒng)對其輸出功率進行檢測，若1秒鐘內(nèi)瞬時功率超過小發(fā)電機額定功率的20%，或2分鐘內(nèi)的平均功率大于某一定值時，則實現(xiàn)小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換。切換過程為:首先切除補償電容，然后小發(fā)電機脫網(wǎng)，等風輪自由轉(zhuǎn)動到一定速度后，再實現(xiàn)大發(fā)電機的軟并網(wǎng);若在切換過程中風速突然變小，使風輪轉(zhuǎn)速反而降低的情況下，應(yīng)再將小發(fā)電機軟并網(wǎng)，重新實現(xiàn)小發(fā)電機并網(wǎng)運行。
　　（2） 大發(fā)電機向小發(fā)電機的切換
　　檢測大發(fā)電機的輸出功率，若2分鐘內(nèi)平均功率小于某一設(shè)定值（此值應(yīng)小于小發(fā)電機的額定功率）時，或50S瞬時功率小于另一更小的設(shè)定值時，立即切換到小發(fā)電機運行。切換過程為:切除大發(fā)電機的補償電容器，脫網(wǎng)，然后小發(fā)電機軟并網(wǎng)，計時20S，測量小發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，若20S后未達到小發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速，則停機，控制系統(tǒng)復(fù)位，重新起動。若20S內(nèi)轉(zhuǎn)速已達到小發(fā)電機旁路轉(zhuǎn)速則旁路晶閘管軟起動裝置，再根據(jù)系統(tǒng)無功功率情況投入補償電容器。
　　3.3 變槳距控制方式及其改進
　　風力發(fā)電機并網(wǎng)以后，控制系統(tǒng)根據(jù)風速的變化，通過槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)，改變槳葉攻角以調(diào)整輸出電功率，更有效地利用風能。在額定風速以下時，此時葉片攻角在零度附近，可認為等同于定槳距風力發(fā)電機，發(fā)
電機的輸出功率隨風速的變化而變化。當風速達到額定風速以上時，變槳距機構(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整葉片的攻角，保證發(fā)電機的輸出功率在允許的范圍內(nèi)。
　　但是，由于自然界的風力變幻莫測。風速總是處在不斷地變化之中，而風能與風速之間成三次方的關(guān)系，風速的較小變化都將造成風能的較大變化，導(dǎo)致風力發(fā)電機的輸出功率處于不斷變化的狀態(tài)。對于變槳距風力發(fā)電機，當風速高于額定風速后，變槳距機構(gòu)為了限制發(fā)電機輸出功率，將調(diào)節(jié)槳距，以調(diào)節(jié)輸出功率。如果風速變化幅度大，頻率高，將導(dǎo)致變槳距機構(gòu)頻繁大幅度動作，使變槳距機構(gòu)容易損壞;同時，變槳距機構(gòu)控制的葉片槳距為大慣量系統(tǒng)，存在較大的滯后時間，槳距調(diào)節(jié)的滯后也將造成發(fā)電機輸出功率的較大波動，對電網(wǎng)造成一定的不良影響。
　　為了減小變槳距調(diào)節(jié)方式對電網(wǎng)的不良影響，可采用一種新的功率輔助調(diào)節(jié)方式-RCC（Rotor Current Control轉(zhuǎn)子電流控制）方式來配合變槳距機構(gòu)，共同完成發(fā)電機輸出功率的調(diào)節(jié)。RCC控制必須使用在線繞式異步發(fā)電機上，通過電力電子裝置，控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流，使普通異步發(fā)電機成為可變滑差發(fā)電機。RCC控制是一種快速電氣控制方式，用于克服風速的快速變化。采用了RCC控制的變槳距風力發(fā)電機，變槳距機構(gòu)主要用于風速緩慢上升或下降的情況，通過調(diào)整葉片攻角，調(diào)節(jié)輸出功率；RCC控制單元則應(yīng)用于風速變化較快的情況，當風速突然發(fā)生變化時，RCC單元調(diào)節(jié)發(fā)電機的滑差，使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)變化，同時保持轉(zhuǎn)子電流不變，發(fā)電機的輸出功率也就保持不變。
　　3.4 無功補償控制
　　由于異步發(fā)電機要從電網(wǎng)吸收無功功率，使風電機組的功率因數(shù)降低。并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組一般要求其功率因數(shù)達到0.99以上，所以必須用電容器組進行無功補償。由于風速變化的隨機性，在達到額定功率前，發(fā)電機的輸出功率大小是隨機變化的，因此對補償電容的投入與切除需要進行控制。在控制系統(tǒng)中設(shè)有四組容量不同的補償電容，計算機根據(jù)輸出無功功率的變化，控制補償電容器分段投入或切除。保證在半功率點的功率因數(shù)達到0.99以上。
　　3.5 偏航與自動解纜控制