大型風(fēng)電場及風(fēng)電機(jī)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(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(jī)組已經(jīng)商品化，兆瓦級的風(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^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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(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，如果允許風(fēng)車做變速運(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)組的特點是風(fēng)車和發(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)車的轉(zhuǎn)速可變，可以通過適當(dāng)?shù)目刂?，使風(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(jī)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(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，一般采用兩臺不同容量、不同極數(shù)的異步發(fā)電機(jī)，風(fēng)速低時用小容量發(fā)電機(jī)發(fā)電，風(fēng)速高時則用大容量發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)系統(tǒng)，無刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)，開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，磁場調(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)有的是通過改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)而實現(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(jī)組的控制

　　 3.1 風(fēng)電機(jī)組的軟啟動并網(wǎng)

      在風(fēng)電機(jī)組啟動時，控制系統(tǒng)對風(fēng)速的變化情況進(jìn)行不間斷的檢測，當(dāng)10分鐘平均風(fēng)速大于起動風(fēng)速時，控制風(fēng)電機(jī)組作好切入電網(wǎng)的一切準(zhǔn)備工作:松開機(jī)械剎車，收回葉尖阻尼板，風(fēng)輪處于迎風(fēng)方向?？刂葡到y(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(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)速仍大于起動風(fēng)速，則檢測風(fēng)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(fēng)輪機(jī)，并對起動電流進(jìn)行控制，使其不超過最大限定值。異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dāng)于發(fā)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組的壽命。因此在風(fēng)電機(jī)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(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)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(rèn)為是起動失敗，發(fā)電機(jī)將被切出電網(wǎng)，控制器根據(jù)檢測信號，確定機(jī)組是否重新起動。

　　異步風(fēng)電機(jī)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(dá)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(jī)的切換控制

　　在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中，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，控制系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出功率的變化對大小發(fā)電機(jī)進(jìn)行自動切換，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)對其輸出功率進(jìn)行檢測，若1秒鐘內(nèi)瞬時功率超過小發(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，則實現(xiàn)小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)的切換。切換過程為: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)動到一定速度后，再實現(xiàn)大發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng);若在切換過程中風(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，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(jī)運(yùn)行。切換過程為: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)，計時20S，測量小發(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。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裝置，再根據(jù)系統(tǒng)無功功率情況投入補(bǔ)償電容器。

　　 3.3 變槳距控制方式及其改進(jìn)