大型風電場及風電機組的控制系統(tǒng)

　　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(jīng)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?cè)萘恳殉�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(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)化的風電發(fā)展計劃，即有名的“乘風計劃”，為我國風力發(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(wǎng)并網(wǎng)時，要求風電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即保持頻率恒定。恒速恒頻即在風力發(fā)電過程中，保持風車的轉(zhuǎn)速（也即發(fā)電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速保持不變，而風速又經(jīng)常在變化，顯然CP不可能保持在最佳值。變速恒頻機組的特點是風車和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率。由于風車的轉(zhuǎn)速可變，可以通過適當?shù)目刂�，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(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(diào)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(diào)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(jié)構(gòu)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(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速時的風能，應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，適合于風力發(fā)電的變速恒頻技術(shù)。 

　　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�？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(zhuǎn)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(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