1 引言

可再生的綠色新能源開發(fā)是世界和我國最重要和急需解決的任務之一，風力發(fā)電是其中最接近實用和推廣的一種，己引起人們極大關(guān)注。風力發(fā)電涉及空氣動力力學、機械、電機和控制諸多技術(shù)領(lǐng)域，本文簡單介紹它的電氣控制部分。

本文在介紹控制之前，先簡單說明控制對象的特性—風力渦輪機輸出功率與風速和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，作為控制策略制定的基礎(chǔ)。隨后介紹現(xiàn)有的兩大類發(fā)電方法:恒速發(fā)電(剛性發(fā)電)和變速發(fā)電(彈性發(fā)電)的特點及應用場合。變速發(fā)電又有兩類:基于同步發(fā)電機的“直接在線”發(fā)電和基于繞線異步機(雙饋電機)的“雙饋”發(fā)電，它們的主電路及控制系統(tǒng)在第4節(jié)中討論。除電機控制系統(tǒng)外，還需要一套槳葉傾角控制，它將在第5節(jié)介紹。最后介紹一種新型風力發(fā)電機組—錐形轉(zhuǎn)子機組(柔性發(fā)電)的設想，據(jù)估計可以節(jié)省約30%投資。

2 風力渦輪機特性

風力發(fā)電機組輸出給電網(wǎng)的是電功率，在制定控制策略前，需要知道原動機功率與什么有關(guān)。風力渦輪機的輸出功率是風速、轉(zhuǎn)速和槳葉傾角的三維非線性函數(shù)。

在槳葉傾角β固定為最小值條件下，輸出功率p/p_n與渦輪機轉(zhuǎn)速n/n_n的關(guān)系示于圖1。從圖1中看中，對應于每個風速的曲線，都有一個最大輸出功率點，風速越高，最大值點對應的轉(zhuǎn)速越高。如果能隨風速變化改變轉(zhuǎn)速，使得在所有風速下都工作于最大工作點，則發(fā)出電能最多，否則發(fā)電效能將降低。

圖1 p/p_n=f(n/n_n)

渦輪機轉(zhuǎn)速、輸出功率還與槳葉傾角β有關(guān)，關(guān)系曲線示于圖2，圖中橫坐標為槳葉尖速度比λ，縱坐標為輸出功率系數(shù)c _p。

λ＝ω_m r／v (1)

式中:ω_m是渦輪機角速度，r是槳葉半徑，ω_mr是槳葉尖線速度，v是風速。

圖2 c _p=f(λ)

在圖2中，每個傾角對應一條c _p=f(λ)曲線，傾角β越大，曲線越靠左下方。每條曲線都有一個上升段和下降段，其中下降段是穩(wěn)定工作段(若風速和傾角不變，受擾動后轉(zhuǎn)速增加，λ加大，c _p減小，渦輪機輸出機械功率和轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)子減速，返回穩(wěn)定點)，它是工作區(qū)段。在工作區(qū)段中，傾角β越大，λ和c _p越小。

3 恒速發(fā)電和變速發(fā)電

現(xiàn)在使用的風力發(fā)電技術(shù)有兩大類:恒速發(fā)電和變速發(fā)電。

(1) 恒速發(fā)電

恒速發(fā)電采用籠形異步電機，其動力系統(tǒng)和電機的機械特性示于圖3。

圖3 恒速發(fā)電系統(tǒng)和籠形電機的機械特性

發(fā)電時渦輪機拖動異步發(fā)電機轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速略超過同步轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)差率s和轉(zhuǎn)矩te變負，電機工作于發(fā)電狀態(tài)。由于只工作在機械特性的線性區(qū)，轉(zhuǎn)差率很小(s<5%)，風速變化時轉(zhuǎn)速基本恒定，所以稱恒速發(fā)電。隨風速變化，通過調(diào)整槳葉傾角(pitch angle)β來控制輸出功率和轉(zhuǎn)速。

恒速發(fā)電的特點:

電氣系統(tǒng)簡單，適合在野外、缺少維護的環(huán)境工作。

由圖1知，由于轉(zhuǎn)速不變，渦輪機只能在某一風速下工作于最大出力點，風速變化時，將偏離最大點，降低發(fā)電效率。

轉(zhuǎn)速不變，輸出功率和轉(zhuǎn)速的控制全靠傾角控制完成，要求傾角控制響應快，動作次數(shù)多，調(diào)節(jié)機構(gòu)易疲勞損壞。

強陣風來時，轉(zhuǎn)速不變，機械承受應力大，要求堅固，所以又稱“剛性”風力發(fā)電。

綜合上述特點，恒速發(fā)電適合用于小功率，通常不大于600kw。

(2) 變速發(fā)電

變速發(fā)電采用同步發(fā)電機或雙饋發(fā)電機(繞線異步機)，風速變化時，轉(zhuǎn)速也隨之變化，通過電力電子變換器，使電機接入恒頻(50hz)、恒壓電網(wǎng)發(fā)電。通常轉(zhuǎn)速在±33%范圍內(nèi)變化，風速小時調(diào)轉(zhuǎn)速，強風來時調(diào)槳葉傾角β。

由于采用了電力電子變換器，變速發(fā)電的電氣系統(tǒng)較復雜，但能取得如下好處:

在不同風速下，渦輪機都工作在最高效率點，提高出力10%。

強陣風來時，轉(zhuǎn)速適當升高，部分風能貯存于機械慣量中(風力發(fā)電機組機械慣量很大)，減小電機電磁轉(zhuǎn)矩脈動和機械承受的應力，減輕機械強度要求，所以又稱“彈性”風力發(fā)電。

由于電磁轉(zhuǎn)矩脈動小，發(fā)出電力的波動小，提高發(fā)電質(zhì)量。

風速小時調(diào)轉(zhuǎn)速，傾角維持最小值不變，傾角控制器不工作。在強風來時傾角控制器才工作，且響應可以減緩，動作次數(shù)減少，機構(gòu)壽命延長。

綜合上述特點，變速發(fā)電適合用于大功率，通常大于1000kw。

4 兩種變速發(fā)電系統(tǒng)

有兩種變速發(fā)電系統(tǒng):采用同步發(fā)電機的直接在線系統(tǒng)和采用雙饋電機(繞線異步機)的雙饋系統(tǒng)。

(1) 同步發(fā)電機的直接在線系統(tǒng)

直接在線系統(tǒng)示于圖4，同步電動機輸出的頻率和電壓隨轉(zhuǎn)速變化的交流電，經(jīng)一臺單象限igbt電壓型交-直-交變頻器接至恒壓、恒頻(50hz)電網(wǎng)。

圖4 同步發(fā)電機的直接在線系統(tǒng)

直接在線系統(tǒng)的特點:

發(fā)電機發(fā)出的全部電功率都通過變頻器，變頻器容量需按100％功率選取，比雙饋系統(tǒng)容量大，投資和損耗大，諧波吸收麻煩。

可以使用永磁發(fā)電機，電機輕，效率高，變換器增加的投資可以從機械結(jié)構(gòu)的節(jié)約中得到補償。

變頻器中的交－直變換可以用二極管整流+直流斬波，簡單。

(2) 采用雙饋電機(繞線異步機)的雙饋系統(tǒng)

雙饋系統(tǒng)示于圖5，繞線異步機的定子直接聯(lián)電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子經(jīng)四象限igbt電壓型交-直-交變頻器接電網(wǎng)。

圖5 采用雙饋電機的雙饋系統(tǒng)

轉(zhuǎn)子電壓和頻率比例于電機轉(zhuǎn)差率，隨轉(zhuǎn)速變化而變化，變頻器把轉(zhuǎn)差頻率的轉(zhuǎn)差功率變換為恒壓、恒頻(50hz)的轉(zhuǎn)差功率，送至電網(wǎng)。由圖5

p=p_s-p_r ; p_r=sp_s ; p=(1-s)p_s (2)

式中:p是送至電網(wǎng)總功率，p_s和p_r分別是定子和轉(zhuǎn)子功率。

轉(zhuǎn)速高于同步速時，轉(zhuǎn)差率s<0，轉(zhuǎn)差功率流出轉(zhuǎn)子，經(jīng)變頻送至電網(wǎng)，電網(wǎng)收到的功率為定、轉(zhuǎn)子功率之和，大于定子功率;轉(zhuǎn)速低于同步速時，s>0，轉(zhuǎn)差功率從電網(wǎng)，經(jīng)變頻器流入轉(zhuǎn)子，電網(wǎng)收到的功率為定、轉(zhuǎn)子輸出功率之差，小于定子功率。

雙饋系統(tǒng)的特點:

在變頻器中僅流過轉(zhuǎn)差功率，其容量小，通常按發(fā)電總功率的25％左右選取(轉(zhuǎn)速變化范圍±33％)，投資和損耗小，發(fā)電效率提高2-3％，諧波吸收方便。

由于要求雙方向功率流過變頻器，它必須是四象限雙pwm變頻器，由兩套igbt變換器構(gòu)成，價格約是同容量單象限變頻器的一倍。

只能使用雙饋電機，比永磁電機重，效率低。

綜上，兩種變速發(fā)電系統(tǒng)都有應用，其中以雙饋系統(tǒng)應用較多。

5 變速發(fā)電的控制

變速發(fā)電不是根據(jù)風速信號控制功率和轉(zhuǎn)速，而是根據(jù)轉(zhuǎn)速信號控制，因為風速信號擾動大，而轉(zhuǎn)速信號較平穩(wěn)和準確(機組慣量大)。

(1) 三段控制要求

低風速段(n<n_n)，按輸出最大功率要求進行變速控制

聯(lián)接不同風速下渦輪機功率-轉(zhuǎn)速曲線的最大值點，得_target=f(n)關(guān)系，把p_target作為變頻器的給定量，通過控制，使風力發(fā)電實際輸出功率p=p_target。圖6是風速變化時的調(diào)速過程示意圖。設開始工作于a2點，風速增大至v2后，由于慣性影響，轉(zhuǎn)速還沒來得變，工作點從a2移至a1，這時渦輪機產(chǎn)生的機械功率大于電機發(fā)出的電功率，機組加速，沿對應于v2的曲線向a3移動，最后穩(wěn)定于a3點。風速減小至v3時的轉(zhuǎn)速下降過程也類似，將沿b2-b1-b3軌跡運動。

圖6 調(diào)速過程示意圖

中風速段為過渡區(qū)段，電機轉(zhuǎn)速己達額定值(n= n _n)，而功率尚未達到額定值(p<p _n)。傾角控制器投入工作，風速增加時，控制器限制轉(zhuǎn)速升，而功率則隨風速增加上升，直至p=p _n。

高風速段為功率和轉(zhuǎn)速均被限制區(qū)段(n=n _n，p= p _n)，風速增加時，轉(zhuǎn)速靠傾角控制器限制，功率靠變頻器限制(限制p_target值)。

(2) 雙饋系統(tǒng)的變頻器控制

雙饋系統(tǒng)變頻器由電機側(cè)pwm變換器和電網(wǎng)側(cè)pwm變換器兩部分組成，控制框圖示于圖7和圖8，其中圖8是圖7中電網(wǎng)側(cè)pwm變換器的控制框圖。

圖7 雙饋系統(tǒng)變流器控制框圖

圖8 電網(wǎng)側(cè)pwm變換器控制框圖

雙饋系統(tǒng)電機側(cè)pwm變換器控制的輸入給定量為送至電網(wǎng)的總有功功率設定pg set和總無功功率設定q_g set。p_g set按p_target=f(n)曲線設定(含最大值限制)，q_g set根據(jù)電網(wǎng)所需無功量設定，也可設為零(功率因數(shù)=1)。經(jīng)有功功率及無功功率兩個pi調(diào)節(jié)器的總有功電流和無功電流給定值，計及式(2)關(guān)系，得定子電流和轉(zhuǎn)子電流的有功和無功分量給定值，通過基于矢量變換的電流控制(解耦和旋轉(zhuǎn)模塊)，使定、轉(zhuǎn)子電的有功和無功分量實際值(i_{s dq} 和i_{r dq})分別等于其給定值。旋轉(zhuǎn)模塊所需之角度信號f_vs是定子電壓向量vs的相位角(用三相電壓信號計算得到)，f_vs－f _r是f_vs角與用編碼器測得的轉(zhuǎn)子位置角φr之差。

電網(wǎng)側(cè)pwm變換器控制的輸入給定量為直流母線電壓給定信號v_dc set，經(jīng)直流電壓pi調(diào)節(jié)器，輸出該變換器輸入電流igc的有功分量給定i_gc p set。通常設定i_gc的無功分量給定i_{gc q} set =0。通過由兩個直流電流pi調(diào)節(jié)器和兩個旋轉(zhuǎn)模塊構(gòu)成的基于矢量變換的電流控制，使變換器輸入電流i_gc的有功和無功分量實際值分別等于其給定值。旋轉(zhuǎn)模塊所需之角度信號也是定子電壓向量v_s的相位角f_vs。若轉(zhuǎn)速高于同步速，轉(zhuǎn)差率s<0，i_{gc p} set<0，表示有功電流從變換器流入電網(wǎng)，這時如果風速增大，更多功率從電機轉(zhuǎn)子流出，直流母線電壓v_dc將升高，i_{gc p} set的數(shù)值將加大(更負)，更多的有功電流經(jīng)電網(wǎng)側(cè)變換器流向電網(wǎng)，v_dc回落，直至返回設定值v_dc set。

(3) 槳葉傾角控制

槳葉傾角控制通過液壓執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)，它在變速控制中的任務是:在轉(zhuǎn)速隨風速增加升至額定轉(zhuǎn)速后，通過加大傾角β來維持轉(zhuǎn)速不變。由于傾角與渦輪機功率、轉(zhuǎn)速之間存在非線性關(guān)系，宜采用非線性或智能控制器，但目前工程上使用的仍大多是線性pid控制器。要用線性控制器去控制非線性對象，必須使閉環(huán)控制限于小信號，輸出量的大范圍變化宜通過改變開環(huán)設定量實現(xiàn)。系統(tǒng)框圖示于圖9。

圖9 槳葉傾角控制系統(tǒng)框圖

圖9中傾角β主要由開環(huán)給定量β_ref所決定，β_ref從維持n=n_n要求出發(fā)，通過用風速信號和渦輪機特性計算得到。閉環(huán)系統(tǒng)的給定是額定角速度ω_ref=(2πn_n)/60，反饋量是角速度實際值ω_r，pid控制器的輸出是傾角給定的校正量δβ，通過閉環(huán)校正開環(huán)給定誤差，使轉(zhuǎn)速實際值維持在其額定值附近不變。在低風速段，控制器輸出置零(δβ=0)，β_ref設置到最小值，傾角被固定在最小位置。為防止機件疲勞損壞，需減少執(zhí)行機構(gòu)的動作次數(shù)，因此在控制器中設置了不靈敏區(qū)，偏差小于設定值時，執(zhí)行機構(gòu)不動作。

6 試驗結(jié)果

德國seg公司生產(chǎn)的1500kw雙饋式變速風力發(fā)電機組運行波形示于圖10，從圖10中看出:

圖10 1500kw變速發(fā)電機組運行波形

(1) 在轉(zhuǎn)速n<nn=1800r/min期間，傾角控制不工作;在n達1800r/min到后，傾角控制才開始工作，維持輸出功率在1500kw和轉(zhuǎn)速在1800r/min左右，基本不變，波形中微小的波動是由于傾角控制響應滯后造成的。

(2) 在t=450s附近，一股強陣風突然吹來，風速達17m/s，轉(zhuǎn)速短期升至約1940r/min，把部分風能貯存在機組轉(zhuǎn)子的慣量中，輸出功率和轉(zhuǎn)矩僅很小波動，這就是變速發(fā)電的“彈性”效果。

7 一個設想—錐形轉(zhuǎn)子(coning rotor)風力發(fā)電機

錐形轉(zhuǎn)子(coning rotor)風力發(fā)電機是一種新型風力發(fā)電技術(shù)的設想，有可能在近期實現(xiàn)，其外形示于圖11。

圖11 錐形轉(zhuǎn)子風力發(fā)電機外形

錐形轉(zhuǎn)子風力發(fā)電機的特點是:

(1) 槳葉向后傾斜，呈錐形，隨風力加大，傾斜角度越大，受力減少，結(jié)構(gòu)強度和重量減小;

(2) 塔體由圓筒結(jié)構(gòu)改為用牽索拉緊的桁架結(jié)構(gòu);

(3) 采用直接驅(qū)動的低速風冷永磁同步發(fā)電機，取消增速箱，簡化機構(gòu)，可靠(圖12)。(雙饋電機常用風-水冷卻，1500r/min，需要增速箱);

圖12 旋轉(zhuǎn)部分示意

(4) 若維持傾角液壓系統(tǒng)適當壓力不變，根據(jù)仿真結(jié)果，有可能省去傾角閉環(huán)控制;

(5) 變速發(fā)電, 永磁同步發(fā)電機通過一套單象限變頻器接至電網(wǎng), 電機側(cè)變換器為二極管整流+直流斬波, 簡單;

(6) 由于風力發(fā)電中機械部分的價格占80％以上，估計錐形轉(zhuǎn)子風機可節(jié)省投資30％左右。

變頻器的主電路示于圖13，由帶直流斬波的整流器(電機側(cè)變換器)和dc-ac逆變器(電網(wǎng)側(cè)變換器)兩大部分構(gòu)成?？刂瓶驁D示于圖14，其中變頻器中電網(wǎng)側(cè)變換器控制同圖8，本圖中不再畫出。

圖13 變頻器主電路

圖14 變頻器控制框圖

由圖14，有功功率(p_g)調(diào)節(jié)器輸出直流電流(idc)給定值，經(jīng)斬波器電流控制，使p_g和i_dc的實際值分別等于它們的給定值。無功功率(q_g)調(diào)節(jié)器輸出電網(wǎng)側(cè)無功電流(i_{gc q} )給定值，送至電網(wǎng)側(cè)變換器(逆變器)控制系統(tǒng)(圖8)，使q_g和i_{gc q} 的實際值分別等于它們的給定值。

8 結(jié)束語

(1) 變速發(fā)電適合用于1000kw以上機組，是當今主流;

(2) 變速發(fā)電有同步發(fā)電機和雙饋異步發(fā)電機兩個方案;

(3) 變速發(fā)電機組的控制有變流器控制和傾角控制兩大部分:低風速，變流器功率-轉(zhuǎn)速控制;高風速，傾角控制;

(4) 錐形轉(zhuǎn)子風力發(fā)電機組可能是發(fā)展方向。