大型風(fēng)電場及風(fēng)電機組的控制系統(tǒng)

    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(fēng)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(fēng)電機組已經(jīng)商品化，兆瓦級的風(fēng)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(fēng)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(fēng)電機組已經(jīng)商品化，兆瓦級的風(fēng)力發(fā)電機組也即將商品化。全世界風(fēng)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(fēng)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(fēng)電發(fā)展計劃，即有名的“乘風(fēng)計劃”，為我國風(fēng)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(fēng)能資源進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)力提水較早的國家，到1996年底，我國小型風(fēng)力發(fā)電機組保有量達(dá)15萬臺，年生產(chǎn)能力為3萬臺，均居世界首位。 
    2 風(fēng)力發(fā)電機組的類型 
    2.1 恒速恒頻與變速恒頻
    在風(fēng)力發(fā)電中，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)時，要求風(fēng)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(fēng)力發(fā)電過程中，保持風(fēng)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(fēng)力發(fā)電過程中讓風(fēng)車的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)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(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比，當(dāng)風(fēng)速在一定范圍變化時，如果允許風(fēng)車做變速運動，則能達(dá)到更好利用風(fēng)能的目的。風(fēng)車將風(fēng)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(fēng)輪周速比λ（槳葉尖速度與風(fēng)速之比）下達(dá)到最大值。恒速恒頻機組的風(fēng)車轉(zhuǎn)速保持不變，而風(fēng)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(fēng)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(fēng)車的轉(zhuǎn)速可變，可以通過適當(dāng)?shù)目刂疲癸L(fēng)車的周速比處于或接近最佳值，從而最大限度地利用風(fēng)能發(fā)電。
    2.3 恒速恒頻機組的特點
    目前，在風(fēng)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(fēng)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(fēng)速低時用小容量發(fā)電機發(fā)電，風(fēng)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(fēng)速下具有較佳的輸出系數(shù)，無法有效地利用不同風(fēng)速時的風(fēng)能。
    2.4 變速恒頻系統(tǒng)的實現(xiàn)
    可用于風(fēng)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(fēng)速時的風(fēng)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(fēng)力發(fā)電的變速恒頻技術(shù)。 
    3　恒速恒頻風(fēng)電機組的控制