大型風電場及風電機組的控制系統(tǒng)方案

   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。全世界風電裝機總容量已超過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、經貿委聯(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化帶動產業(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)電技術國產化指明了方向，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(fā)電過程中，保持風車的轉速（也即發(fā)電機的轉速）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(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(fā)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?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)，開關磁阻發(fā)電機系統(tǒng)，磁場調制發(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)電機本身結構而實現(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，應該對各種變速恒頻技術做深入的研究，盡快開發(fā)出實用的，適合于風力發(fā)電的變速恒頻技術。

　　 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(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，由于其轉速很小，切入電網時其轉差率很大，因而會產生相當于發(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(fā)電機達到同步轉速時電流驟然下降，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，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(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秒鐘內瞬時功率超過小發(fā)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(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，等風輪自由轉動到一定速度后，再實現(xiàn)大發(fā)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(fā)電機軟并網，重新實現(xiàn)小發(fā)電機并網運行。

　　 （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分鐘內平均功率小于某一設定值（此值應小于小發(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，然后小發(fā)電機軟并網，計時20S，測量小發(fā)電機的轉速，若20S后未達到小發(fā)電機的同步轉速，則停機，控制系統(tǒng)復位，重新起動。若20S內轉速已達到小發(fā)電機旁路轉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