大型風力發電機組調向功率的探討

　　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境的“綠色能源”。目前國外數百千瓦級的大型風電機組已經商品化，兆瓦級的風力發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境的“綠色能源”。目前國外數百千瓦級的大型風電機組已經商品化，兆瓦級的風力發電機組也即將商品化。全世界風電裝機總容量已超過1000萬千瓦，單位千瓦造價為1000美元，發電成本為5美分/千瓦時，已經具有與火力發電相競爭的能力。
　　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，有巨大的發展潛力。1995年初，國家計委、科委、經貿委聯合發表了《中國新能源和可再生能源發展綱要（1996～2010）》。1996年3月，國家計委又制定了以國產化帶動產業化的風電發展計劃，即有名的“乘風計劃”，為我國風力發電技術國產化指明了方向，創造了條件。同時，我國也是利用風能資源進行風力發電、風力提水較早的國家，到1996年底，我國小型風力發電機組保有量達15萬臺，年生產能力為3萬臺，均居世界首位。

　　2 風力發電機組的類型

　　2.1 恒速恒頻與變速恒頻
　　在風力發電中，當風力發電機組與電網并網時，要求風電的頻率與電網的頻率保持一致，即保持頻率恒定。恒速恒頻即在風力發電過程中，保持風車的轉速（也即發電機的轉速）不變，從而得到恒頻的電能。在風力發電過程中讓風車的轉速隨風速而變化，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。風車將風能轉換成機械能的效率可用輸出功率系數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速保持不變，而風速又經常在變化，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電機的轉速可在很大范圍內變化而不影響輸出電能的頻率。由于風車的轉速可變，可以通過適當的控制，使風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電。
　　2.3 恒速恒頻機組的特點
　　目前，在風力發電系統中采用最多的異步發電機屬于恒速恒頻發電機組。為了適應大小風速的要求，一般采用兩臺不同容量、不同極數的異步發電機，風速低時用小容量發電機發電，風速高時則用大容量發電機發電，同時一般通過變槳距系統改變槳葉的攻角以調整輸出功率。但這也只能使異步發電機在兩個風速下具有較佳的輸出系數，無法有效地利用不同風速時的風能。
　　2.4 變速恒頻系統的實現
　　可用于風力發電的變速恒頻系統有多種:如交一直一交變頻系統，交流勵磁發電機系統，無刷雙饋電機系統，開關磁阻發電機系統，磁場調制發電機系統，同步異步變速恒頻發電機系統等。這種變速恒頻系統有的是通過改造發電機本身結構而實現變速恒頻的;有的則是發電機與電力電子裝置、微機控制系統相結合而實現變速恒頻的。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，應該對各種變速恒頻技術做深入的研究，盡快開發出實用的，適合于風力發電的變速恒頻技術。

　　3　恒速恒頻風電機組的控制

　　3.1 風電機組的軟啟動并網
　　在風電機組啟動時，控制系統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。控制系統不間斷地檢測各傳感器信號是否正常，如液壓系統壓力是否正常，風向是否偏離，電網參數是否正常等。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。異步風力發電機在起動時，由于其轉速很小，切入電網時其轉差率很大，因而會產生相當于發電機額定電流的5～7倍的沖擊電流，這個電流不僅對電網造成很大的沖擊，也會影響風電機組的壽命。因此在風電機組并網過程中采取限流軟起動技術，以控制起動電流。當發電機達到同步轉速時電流驟然下降，控制器發出指令，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，發電機將被切出電網，控制器根據檢測信號，確定機組是否重新起動。
　　異步風電機組也可在起動時轉速低于同步速時不并網，等接近或達到同步速時再切入電網，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電機的輸出功率發生變化時，控制系統應能根據發電機輸出功率的變化對大小發電機進行自動切換，從而提高風電機組的效率。具體控制方法為:
　　（1） 小發電機向大發電機的切換
　　在小發電機并網發電期間，控制系統對其輸出功率進行檢測，若1秒鐘內瞬時功率超過小發電機額定功率的20%，或2分鐘內的平均功率大于某一定值時，則實現小發電機向大發電機的切換。切換過程為:首先切除補償電容，然后小發電機脫網，等風輪自由轉動到一定速度后，再實現大發電機的軟并網;若在切換過程中風速突然變小，使風輪轉速反而降低的情況下，應再將小發電機軟并網，重新實現小發電機并網運行。
　　（2） 大發電機向小發電機的切換
　　檢測大發電機的輸出功率，若2分鐘內平均功率小于某一設定值（此值應小于小發電機的額定功率）時，或50S瞬時功率小于另一更小的設定值時，立即切換到小發電機運行。切換過程為:切除大發電機的補償電容器，脫網，然后小發電機軟并網，計時20S，測量小發電機的轉速，若20S后未達到小發電機的同步轉速，則停機，控制系統復位，重新起動。若20S內轉速已達到小發電機旁路轉速則旁路晶閘管軟起動裝置，再根據系統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
　　風力發電機并網以后，控制系統根據風速的變化，通過槳距調節機構，改變槳葉攻角以調整輸出電功率，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電機，發
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，變槳距機構發揮作用，調整葉片的攻角，保證發電機的輸出功率在允許的范圍內。
　　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系，風速的較小變化都將造成風能的較大變化，導致風力發電機的輸出功率處于不斷變化的狀態。對于變槳距風力發電機，當風速高于額定風速后，變槳距機構為了限制發電機輸出功率，將調節槳距，以調節輸出功率。如果風速變化幅度大，頻率高，將導致變槳距機構頻繁大幅度動作，使變槳距機構容易損壞;同時，變槳距機構控制的葉片槳距為大慣量系統，存在較大的滯后時間，槳距調節的滯后也將造成發電機輸出功率的較大波動，對電網造成一定的不良影響。
　　為了減小變槳距調節方式對電網的不良影響，可采用一種新的功率輔助調節方式-RCC（Rotor Current Control轉子電流控制）方式來配合變槳距機構，共同完成發電機輸出功率的調節。RCC控制必須使用在線繞式異步發電機上，通過電力電子裝置，控制發電機的轉子電流，使普通異步發電機成為可變滑差發電機。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電機，變槳距機構主要用于風速緩慢上升或下降的情況，通過調整葉片攻角，調節輸出功率；RCC控制單元則應用于風速變化較快的情況，當風速突然發生變化時，RCC單元調節發電機的滑差，使發電機的轉速可在一定范圍內變化，同時保持轉子電流不變，發電機的輸出功率也就保持不變。
　　3.4 無功補償控制
　　由于異步發電機要從電網吸收無功功率，使風電機組的功率因數降低。并網運行的風力發電機組一般要求其功率因數達到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。在控制系統中設有四組容量不同的補償電容，計算機根據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達到0.99以上。
　　3.5 偏航與自動解纜控制