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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)電是可再生能源中廉價、較有希望的能源，并且是一種*的“綠色能源”。目前國外數(shù)百千瓦級的大型風電機組已經(jīng)商品化，兆瓦級的風力發(fā)電機組也即將商品化。*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(jīng)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(jīng)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(chǎn)化帶動產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)能力為3萬臺，均居世界*。

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(wǎng)并網(wǎng)時，要求風電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持*，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）下達到大值。恒速恒頻機組的風車轉速保持不變，而風速又經(jīng)常在變化，顯然CP不可能保持在值。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?，使風車的周速比處于或接近值，從而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(wǎng)

  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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)時其轉差率很大，因而會產(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)，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(wǎng)，等接近或達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(wǎng)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(wǎng)，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(wǎng);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(wǎng)，重新實現(xiàn)小發(fā)電機并網(wǎng)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(wǎng)，然后小發(fā)電機軟并網(wǎng)，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

  風力發(fā)電機并網(wǎng)以后，控制系統(tǒng)根據(jù)風速的變化，通過槳距調節(jié)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(fā)電機，發(fā)

  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(fā)揮作用，調整葉片的攻角，保證發(fā)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(fā)電機的輸出功率處于不斷變化的狀態(tài)。對于變槳距風力發(fā)電機，當風速高于額定風速后，變槳距機構為了限制發(fā)電機輸出功率，將調節(jié)槳距，以調節(jié)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(tǒng)，存在較大的滯后時間，槳距調節(jié)的滯后也將造成發(fā)電機輸出功率的較大波動，對電網(wǎng)造成一定的不良影響。

  為了減小變槳距調節(jié)方式對電網(wǎng)的不良影響，可采用一種新的功率輔助調節(jié)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(fā)電機輸出功率的調節(jié)。RCC控制必須使用在線繞式異步發(fā)電機上，通過電力電子裝置，控制發(fā)電機的轉子電流，使普通異步發(fā)電機成為可變滑差發(fā)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(fā)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(jié)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(fā)生變化時，RCC單元調節(jié)發(fā)電機的滑差，使發(fā)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(fā)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(fā)電機要從電網(wǎng)吸收無功功率，使風電機組的功率因數(shù)降低。并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組一般要求其功率因數(shù)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(fā)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(tǒng)中設有四組容量不同的補償電容，計算機根據(jù)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(shù)達到0.99以上。

  3.5 偏航與自動解纜控制

  偏航控制系統(tǒng)有三個主要功能：

  （1） 正常運行時自動對風。當機艙偏離風向一定角度時，控制系統(tǒng)發(fā)出向左或向右調向的指令，機艙開始對風，直到達到允許的誤差范圍內，自動對風停止。

  （2） 繞纜時自動解纜。當機艙向同一方向累計偏轉2.3圈后，若此時風速小于風電機組啟動風速且無功率輸出，則停機，控制系統(tǒng)使機艙反方向旋轉2.3圈解繞;若此時機組有功率輸出，則暫不自動解繞;若機艙繼續(xù)向同一方向偏轉累計達3圈時，則控制停機，解繞;若因故障自動解繞未成功，在扭纜達4圈時，扭纜機械開關將動作，此時報告扭纜故障，自動停機，等待人工解纜操作。

  （3） 失速保護時偏離風向。當有特大強風發(fā)生時，停機，釋放葉尖阻尼板，槳距調到大，偏航90o背風，以保護風輪免受損壞。

  3.6 停車控制

  停機過程分為正常停機和緊急停機。

  （1） 正常停機

  當控制器發(fā)出正常停機指令后，風電機組將按下列程序停機：

  ①切除補償電容器;

  ②釋放葉尖阻尼板;

  ③發(fā)電機脫網(wǎng);

  ④測量發(fā)電機轉速下降到設定值后，投入機械剎車;

  ⑤若出現(xiàn)剎車故障則收槳，機艙偏航900背風。

  （2） 緊急故障停機

  當出現(xiàn)緊急停機故障時，執(zhí)行如下停機操作：首先切除補償電容器，葉尖阻尼板動作，延時0.3秒后卡鉗閘動作。檢測瞬時功率為負或發(fā)電機轉速小于同步速時，發(fā)電機解列（脫網(wǎng)），若制動時間超過20S，轉速仍未降到某設定值，則收槳， 機艙偏航900背風。

  停機如果是由于外部原因，例如風速過小或過大，或因電網(wǎng)故障，風電機組停機后將自動處于待機狀態(tài);如果是由于機組內部故障，控制器需要得到已修復指令，才能進入待機狀態(tài)。

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