大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(lèi)越來(lái)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(jià)、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(guó)外數(shù)百千瓦級(jí)的大型風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)商品化，兆瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(lèi)越來(lái)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(jià)、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(guó)外數(shù)百千瓦級(jí)的大型風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)商品化，兆瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也即將商品化。全世界風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘恳殉^(guò)1000萬(wàn)千瓦，單位千瓦造價(jià)為1000美元，發(fā)電成本為5美分/千瓦時(shí)，已經(jīng)具有與火力發(fā)電相競(jìng)爭(zhēng)的能力。
　　我國(guó)的風(fēng)能資源豐富，理論儲(chǔ)量為16億kW，實(shí)際可利用2.5億kW，有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?995年初，國(guó)家計(jì)委、科委、經(jīng)貿(mào)委聯(lián)合發(fā)表了《中國(guó)新能源和可再生能源發(fā)展綱要（1996～2010）》。1996年3月，國(guó)家計(jì)委又制定了以國(guó)產(chǎn)化帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)化的風(fēng)電發(fā)展計(jì)劃，即有名的“乘風(fēng)計(jì)劃”，為我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)國(guó)產(chǎn)化指明了方向，創(chuàng)造了條件。同時(shí)，我國(guó)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(guó)家，到1996年底，我國(guó)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組保有量達(dá)15萬(wàn)臺(tái)，年生產(chǎn)能力為3萬(wàn)臺(tái)，均居世界首位。

　　2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的類(lèi)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(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，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(guò)程中，保持風(fēng)車(chē)的轉(zhuǎn)速（也即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速）不變，從而得到恒頻的電能。在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中讓風(fēng)車(chē)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化，而通過(guò)其它控制方式來(lái)得到恒頻電能的方法稱(chēng)為變速恒頻。
　　2.2 兩種類(lèi)型機(jī)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(shí)，如果允許風(fēng)車(chē)做變速運(yùn)動(dòng)，則能達(dá)到更好利用風(fēng)能的目的。風(fēng)車(chē)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的效率可用輸出功率系數(shù)CP來(lái)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(jī)組的風(fēng)車(chē)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(jī)組的特點(diǎn)是風(fēng)車(chē)和發(fā)電機(jī)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(chē)的轉(zhuǎn)速可變，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂疲癸L(fēng)車(chē)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(jī)組的特點(diǎn)
　　目前，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用最多的異步發(fā)電機(jī)屬于恒速恒頻發(fā)電機(jī)組。為了適應(yīng)大小風(fēng)速的要求，一般采用兩臺(tái)不同容量、不同極數(shù)的異步發(fā)電機(jī)，風(fēng)速低時(shí)用小容量發(fā)電機(jī)發(fā)電，風(fēng)速高時(shí)則用大容量發(fā)電機(jī)發(fā)電，同時(shí)一般通過(guò)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(jī)在兩個(gè)風(fēng)速下具有較佳的輸出系數(shù)，無(wú)法有效地利用不同風(fēng)速時(shí)的風(fēng)能。
　　2.4 變速恒頻系統(tǒng)的實(shí)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(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，無(wú)刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，同步異步變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等。這種變速恒頻系統(tǒng)有的是通過(guò)改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的;有的則是發(fā)電機(jī)與電力電子裝置、微機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的。它們各有其特點(diǎn)，適用場(chǎng)合也不一樣。為了充分利用不同風(fēng)速時(shí)的風(fēng)能，應(yīng)該對(duì)各種變速恒頻技術(shù)做深入的研究，盡快開(kāi)發(fā)出實(shí)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(jī)組的控制

　　3.1 風(fēng)電機(jī)組的軟啟動(dòng)并網(wǎng)
　　在風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)速的變化情況進(jìn)行不間斷的檢測(cè)，當(dāng)10分鐘平均風(fēng)速大于起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，控制風(fēng)電機(jī)組作好切入電網(wǎng)的一切準(zhǔn)備工作:松開(kāi)機(jī)械剎車(chē)，收回葉尖阻尼板，風(fēng)輪處于迎風(fēng)方向。控制系統(tǒng)不間斷地檢測(cè)各傳感器信號(hào)是否正常，如液壓系統(tǒng)壓力是否正常，風(fēng)向是否偏離，電網(wǎng)參數(shù)是否正常等。如10分鐘平均風(fēng)速仍大于起動(dòng)風(fēng)速，則檢測(cè)風(fēng)輪是否已開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，并開(kāi)啟晶閘管限流軟起動(dòng)裝置快速起動(dòng)風(fēng)輪機(jī)，并對(duì)起動(dòng)電流進(jìn)行控制，使其不超過(guò)最大限定值。異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在起動(dòng)時(shí)，由于其轉(zhuǎn)速很小，切入電網(wǎng)時(shí)其轉(zhuǎn)差率很大，因而會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)于發(fā)電機(jī)額定電流的5～7倍的沖擊電流，這個(gè)電流不僅對(duì)電網(wǎng)造成很大的沖擊，也會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組的壽命。因此在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)過(guò)程中采取限流軟起動(dòng)技術(shù)，以控制起動(dòng)電流。當(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時(shí)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(dòng)控制器自動(dòng)復(fù)位，等待下一次起動(dòng)信號(hào)。這個(gè)起動(dòng)過(guò)程約40S左右，若超過(guò)這個(gè)時(shí)間，被認(rèn)為是起動(dòng)失敗，發(fā)電機(jī)將被切出電網(wǎng)，控制器根據(jù)檢測(cè)信號(hào)，確定機(jī)組是否重新起動(dòng)。
　　異步風(fēng)電機(jī)組也可在起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速低于同步速時(shí)不并網(wǎng)，等接近或達(dá)到同步速時(shí)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(dòng)器。
　　3.2 大小發(fā)電機(jī)的切換控制
　　在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，因風(fēng)速的變化而引起發(fā)電機(jī)的輸出功率發(fā)生變化時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出功率的變化對(duì)大小發(fā)電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)切換，從而提高風(fēng)電機(jī)組的效率。具體控制方法為:
　　（1） 小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)的切換
　　在小發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電期間，控制系統(tǒng)對(duì)其輸出功率進(jìn)行檢測(cè)，若1秒鐘內(nèi)瞬時(shí)功率超過(guò)小發(fā)電機(jī)額定功率的20%，或2分鐘內(nèi)的平均功率大于某一定值時(shí)，則實(shí)現(xiàn)小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)的切換。切換過(guò)程為:首先切除補(bǔ)償電容，然后小發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)，等風(fēng)輪自由轉(zhuǎn)動(dòng)到一定速度后，再實(shí)現(xiàn)大發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng);若在切換過(guò)程中風(fēng)速突然變小，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速反而降低的情況下，應(yīng)再將小發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)，重新實(shí)現(xiàn)小發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。
　　（2） 大發(fā)電機(jī)向小發(fā)電機(jī)的切換
　　檢測(cè)大發(fā)電機(jī)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(jī)的額定功率）時(shí)，或50S瞬時(shí)功率小于另一更小的設(shè)定值時(shí)，立即切換到小發(fā)電機(jī)運(yùn)行。切換過(guò)程為:切除大發(fā)電機(jī)的補(bǔ)償電容器，脫網(wǎng)，然后小發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)，計(jì)時(shí)20S，測(cè)量小發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，若20S后未達(dá)到小發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，則停機(jī)，控制系統(tǒng)復(fù)位，重新起動(dòng)。若20S內(nèi)轉(zhuǎn)速已達(dá)到小發(fā)電機(jī)旁路轉(zhuǎn)速則旁路晶閘管軟起動(dòng)裝置，再根據(jù)系統(tǒng)無(wú)功功率情況投入補(bǔ)償電容器。
　　3.3 變槳距控制方式及其改進(jìn)
　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)以后，控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速的變化，通過(guò)槳距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，改變槳葉攻角以調(diào)整輸出電功率，更有效地利用風(fēng)能。在額定風(fēng)速以下時(shí)，此時(shí)葉片攻角在零度附近，可認(rèn)為等同于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)，發(fā)
電機(jī)的輸出功率隨風(fēng)速的變化而變化。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速以上時(shí)，變槳距機(jī)構(gòu)發(fā)揮作用，調(diào)整葉片的攻角，保證發(fā)電機(jī)的輸出功率在允許的范圍內(nèi)。
　　但是，由于自然界的風(fēng)力變幻莫測(cè)。風(fēng)速總是處在不斷地變化之中，而風(fēng)能與風(fēng)速之間成三次方的關(guān)系，風(fēng)速的較小變化都將造成風(fēng)能的較大變化，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率處于不斷變化的狀態(tài)。對(duì)于變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速后，變槳距機(jī)構(gòu)為了限制發(fā)電機(jī)輸出功率，將調(diào)節(jié)槳距，以調(diào)節(jié)輸出功率。如果風(fēng)速變化幅度大，頻率高，將導(dǎo)致變槳距機(jī)構(gòu)頻繁大幅度動(dòng)作，使變槳距機(jī)構(gòu)容易損壞;同時(shí)，變槳距機(jī)構(gòu)控制的葉片槳距為大慣量系統(tǒng)，存在較大的滯后時(shí)間，槳距調(diào)節(jié)的滯后也將造成發(fā)電機(jī)輸出功率的較大波動(dòng)，對(duì)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(duì)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(lái)配合變槳距機(jī)構(gòu)，共同完成發(fā)電機(jī)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(jī)上，通過(guò)電力電子裝置，控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流，使普通異步發(fā)電機(jī)成為可變滑差發(fā)電機(jī)。RCC控制是一種快速電氣控制方式，用于克服風(fēng)速的快速變化。采用了RCC控制的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)，變槳距機(jī)構(gòu)主要用于風(fēng)速緩慢上升或下降的情況，通過(guò)調(diào)整葉片攻角，調(diào)節(jié)輸出功率；RCC控制單元?jiǎng)t應(yīng)用于風(fēng)速變化較快的情況，當(dāng)風(fēng)速突然發(fā)生變化時(shí)，RCC單元調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的滑差，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)變化，同時(shí)保持轉(zhuǎn)子電流不變，發(fā)電機(jī)的輸出功率也就保持不變。
　　3.4 無(wú)功補(bǔ)償控制
　　由于異步發(fā)電機(jī)要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，使風(fēng)電機(jī)組的功率因數(shù)降低。并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般要求其功率因數(shù)達(dá)到0.99以上，所以必須用電容器組進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。由于風(fēng)速變化的隨機(jī)性，在達(dá)到額定功率前，發(fā)電機(jī)的輸出功率大小是隨機(jī)變化的，因此對(duì)補(bǔ)償電容的投入與切除需要進(jìn)行控制。在控制系統(tǒng)中設(shè)有四組容量不同的補(bǔ)償電容，計(jì)算機(jī)根據(jù)輸出無(wú)功功率的變化，控制補(bǔ)償電容器分段投入或切除。保證在半功率點(diǎn)的功率因數(shù)達(dá)到0.99以上。
　　3.5 偏航與自動(dòng)解纜控制