1 引言

可再生的綠色新能源開(kāi)發(fā)是世界和我國(guó)最重要和急需解決的任務(wù)之一，風(fēng)力發(fā)電是其中最接近實(shí)用和推廣的一種，己引起人們極大關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電涉及空氣動(dòng)力力學(xué)、機(jī)械、電機(jī)和控制諸多技術(shù)領(lǐng)域，本文簡(jiǎn)單介紹它的電氣控制部分。

本文在介紹控制之前，先簡(jiǎn)單說(shuō)明控制對(duì)象的特性—風(fēng)力渦輪機(jī)輸出功率與風(fēng)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(lèi)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(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合。變速發(fā)電又有兩類(lèi):基于同步發(fā)電機(jī)的“直接在線”發(fā)電和基于繞線異步機(jī)(雙饋電機(jī))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(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組—錐形轉(zhuǎn)子機(jī)組(柔性發(fā)電)的設(shè)想，據(jù)估計(jì)可以節(jié)省約30%投資。

2 風(fēng)力渦輪機(jī)特性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dòng)機(jī)功率與什么有關(guān)。風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率是風(fēng)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(jī)轉(zhuǎn)速n/n_n的關(guān)系示于圖1。從圖1中看中，對(duì)應(yīng)于每個(gè)風(fēng)速的曲線，都有一個(gè)最大輸出功率點(diǎn)，風(fēng)速越高，最大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速越高。如果能隨風(fēng)速變化改變轉(zhuǎn)速，使得在所有風(fēng)速下都工作于最大工作點(diǎn)，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(jī)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(biāo)為槳葉尖速度比λ，縱坐標(biāo)為輸出功率系數(shù)c _p。

λ＝ω_m r／v (1)

式中:ω_m是渦輪機(jī)角速度，r是槳葉半徑，ω_mr是槳葉尖線速度，v是風(fēng)速。

圖2 c _p=f(λ)

在圖2中，每個(gè)傾角對(duì)應(yīng)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(gè)上升段和下降段，其中下降段是穩(wěn)定工作段(若風(fēng)速和傾角不變，受擾動(dòng)后轉(zhuǎn)速增加，λ加大，c _p減小，渦輪機(jī)輸出機(jī)械功率和轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)子減速，返回穩(wěn)定點(diǎn))，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(fēng)力發(fā)電技術(shù)有兩大類(lèi):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(jī)，其動(dòng)力系統(tǒng)和電機(jī)的機(jī)械特性示于圖3。

圖3 恒速發(fā)電系統(tǒng)和籠形電機(jī)的機(jī)械特性

發(fā)電時(shí)渦輪機(jī)拖動(dòng)異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速略超過(guò)同步轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)差率s和轉(zhuǎn)矩te變負(fù)，電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)。由于只工作在機(jī)械特性的線性區(qū)，轉(zhuǎn)差率很小(s<5%)，風(fēng)速變化時(shí)轉(zhuǎn)速基本恒定，所以稱恒速發(fā)電。隨風(fēng)速變化，通過(guò)調(diào)整槳葉傾角(pitch angle)β來(lái)控制輸出功率和轉(zhuǎn)速。

恒速發(fā)電的特點(diǎn):

電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)單，適合在野外、缺少維護(hù)的環(huán)境工作。

由圖1知，由于轉(zhuǎn)速不變，渦輪機(jī)只能在某一風(fēng)速下工作于最大出力點(diǎn)，風(fēng)速變化時(shí)，將偏離最大點(diǎn)，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?jī)A角控制完成，要求傾角控制響應(yīng)快，動(dòng)作次數(shù)多，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)易疲勞損壞。

強(qiáng)陣風(fēng)來(lái)時(shí)，轉(zhuǎn)速不變，機(jī)械承受應(yīng)力大，要求堅(jiān)固，所以又稱“剛性”風(fēng)力發(fā)電。

綜合上述特點(diǎn)，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(jī)或雙饋發(fā)電機(jī)(繞線異步機(jī))，風(fēng)速變化時(shí)，轉(zhuǎn)速也隨之變化，通過(guò)電力電子變換器，使電機(jī)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(fēng)速小時(shí)調(diào)轉(zhuǎn)速，強(qiáng)風(fēng)來(lái)時(shí)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(fù)雜，但能取得如下好處:

在不同風(fēng)速下，渦輪機(jī)都工作在最高效率點(diǎn)，提高出力10%。

強(qiáng)陣風(fēng)來(lái)時(shí)，轉(zhuǎn)速適當(dāng)升高，部分風(fēng)能貯存于機(jī)械慣量中(風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械慣量很大)，減小電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和機(jī)械承受的應(yīng)力，減輕機(jī)械強(qiáng)度要求，所以又稱“彈性”風(fēng)力發(fā)電。

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

風(fēng)速小時(shí)調(diào)轉(zhuǎn)速，傾角維持最小值不變，傾角控制器不工作。在強(qiáng)風(fēng)來(lái)時(shí)傾角控制器才工作，且響應(yīng)可以減緩，動(dòng)作次數(shù)減少，機(jī)構(gòu)壽命延長(zhǎng)。

綜合上述特點(diǎn)，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(jī)的直接在線系統(tǒng)和采用雙饋電機(jī)(繞線異步機(jī))的雙饋系統(tǒng)。

(1) 同步發(fā)電機(jī)的直接在線系統(tǒng)

直接在線系統(tǒng)示于圖4，同步電動(dòng)機(jī)輸出的頻率和電壓隨轉(zhuǎn)速變化的交流電，經(jīng)一臺(tái)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(jī)的直接在線系統(tǒng)

直接在線系統(tǒng)的特點(diǎn):

發(fā)電機(jī)發(fā)出的全部電功率都通過(guò)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(jī)，電機(jī)輕，效率高，變換器增加的投資可以從機(jī)械結(jié)構(gòu)的節(jié)約中得到補(bǔ)償。

變頻器中的交－直變換可以用二極管整流+直流斬波，簡(jiǎn)單。

(2) 采用雙饋電機(jī)(繞線異步機(jī))的雙饋系統(tǒng)

雙饋系統(tǒng)示于圖5，繞線異步機(jī)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(jī)的雙饋系統(tǒng)

轉(zhuǎn)子電壓和頻率比例于電機(jī)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(shí)，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(shí)，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(diǎn):

在變頻器中僅流過(guò)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(guò)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(jià)格約是同容量單象限變頻器的一倍。

只能使用雙饋電機(jī)，比永磁電機(jī)重，效率低。

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

5 變速發(fā)電的控制

變速發(fā)電不是根據(jù)風(fēng)速信號(hào)控制功率和轉(zhuǎn)速，而是根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)控制，因?yàn)轱L(fēng)速信號(hào)擾動(dòng)大，而轉(zhuǎn)速信號(hào)較平穩(wěn)和準(zhǔn)確(機(jī)組慣量大)。

(1) 三段控制要求

低風(fēng)速段(n<n_n)，按輸出最大功率要求進(jìn)行變速控制

聯(lián)接不同風(fēng)速下渦輪機(jī)功率-轉(zhuǎn)速曲線的最大值點(diǎn)，得_target=f(n)關(guān)系，把p_target作為變頻器的給定量，通過(guò)控制，使風(fēng)力發(fā)電實(shí)際輸出功率p=p_target。圖6是風(fēng)速變化時(shí)的調(diào)速過(guò)程示意圖。設(shè)開(kāi)始工作于a2點(diǎn)，風(fēng)速增大至v2后，由于慣性影響，轉(zhuǎn)速還沒(méi)來(lái)得變，工作點(diǎn)從a2移至a1，這時(shí)渦輪機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率大于電機(jī)發(fā)出的電功率，機(jī)組加速，沿對(duì)應(yīng)于v2的曲線向a3移動(dòng)，最后穩(wěn)定于a3點(diǎn)。風(fēng)速減小至v3時(shí)的轉(zhuǎn)速下降過(guò)程也類(lèi)似，將沿b2-b1-b3軌跡運(yùn)動(dòng)。

圖6 調(diào)速過(guò)程示意圖

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

高風(fēng)速段為功率和轉(zhuǎn)速均被限制區(qū)段(n=n _n，p= p _n)，風(fēng)速增加時(shí)，轉(zhuǎn)速靠?jī)A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(jī)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(jī)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(shè)定pg set和總無(wú)功功率設(shè)定q_g set。p_g set按p_target=f(n)曲線設(shè)定(含最大值限制)，q_g set根據(jù)電網(wǎng)所需無(wú)功量設(shè)定，也可設(shè)為零(功率因數(shù)=1)。經(jīng)有功功率及無(wú)功功率兩個(gè)pi調(diào)節(jié)器的總有功電流和無(wú)功電流給定值，計(jì)及式(2)關(guān)系，得定子電流和轉(zhuǎn)子電流的有功和無(wú)功分量給定值，通過(guò)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(wú)功分量實(shí)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(hào)f_vs是定子電壓向量vs的相位角(用三相電壓信號(hào)計(jì)算得到)，f_vs－f _r是f_vs角與用編碼器測(cè)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(hào)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(shè)定i_gc的無(wú)功分量給定i_{gc q} set =0。通過(guò)由兩個(gè)直流電流pi調(diào)節(jié)器和兩個(gè)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(wú)功分量實(shí)際值分別等于其給定值。旋轉(zhuǎn)模塊所需之角度信號(hào)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(shí)如果風(fēng)速增大，更多功率從電機(jī)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(fù))，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(shè)定值v_dc set。

(3) 槳葉傾角控制

槳葉傾角控制通過(guò)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，它在變速控制中的任務(wù)是:在轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速增加升至額定轉(zhuǎn)速后，通過(guò)加大傾角β來(lái)維持轉(zhuǎn)速不變。由于傾角與渦輪機(jī)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(duì)象，必須使閉環(huán)控制限于小信號(hào)，輸出量的大范圍變化宜通過(guò)改變開(kāi)環(huán)設(shè)定量實(shí)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(kāi)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(guò)用風(fēng)速信號(hào)和渦輪機(jī)特性計(jì)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(shí)際值ω_r，pid控制器的輸出是傾角給定的校正量δβ，通過(guò)閉環(huán)校正開(kāi)環(huán)給定誤差，使轉(zhuǎn)速實(shí)際值維持在其額定值附近不變。在低風(fēng)速段，控制器輸出置零(δβ=0)，β_ref設(shè)置到最小值，傾角被固定在最小位置。為防止機(jī)件疲勞損壞，需減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作次數(shù)，因此在控制器中設(shè)置了不靈敏區(qū)，偏差小于設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作。

6 試驗(yàn)結(jié)果

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

圖10 1500kw變速發(fā)電機(jī)組運(yùn)行波形

(1) 在轉(zhuǎn)速n<nn=1800r/min期間，傾角控制不工作;在n達(dá)1800r/min到后，傾角控制才開(kāi)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(dòng)是由于傾角控制響應(yīng)滯后造成的。

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

7 一個(gè)設(shè)想—錐形轉(zhuǎn)子(coning rotor)風(fēng)力發(fā)電機(jī)

錐形轉(zhuǎn)子(coning rotor)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種新型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的設(shè)想，有可能在近期實(shí)現(xiàn)，其外形示于圖11。

圖11 錐形轉(zhuǎn)子風(fēng)力發(fā)電機(jī)外形

錐形轉(zhuǎn)子風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是:

(1) 槳葉向后傾斜，呈錐形，隨風(fēng)力加大，傾斜角度越大，受力減少，結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(dòng)的低速風(fēng)冷永磁同步發(fā)電機(jī)，取消增速箱，簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，可靠(圖12)。(雙饋電機(jī)常用風(fēng)-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(dāng)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(jī)通過(guò)一套單象限變頻器接至電網(wǎng), 電機(jī)側(cè)變換器為二極管整流+直流斬波, 簡(jiǎn)單;

(6) 由于風(fēng)力發(fā)電中機(jī)械部分的價(jià)格占80％以上，估計(jì)錐形轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)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(jī)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(huà)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(shí)際值分別等于它們的給定值。無(wú)功功率(q_g)調(diào)節(jié)器輸出電網(wǎng)側(cè)無(wú)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(shí)際值分別等于它們的給定值。

8 結(jié)束語(yǔ)

(1) 變速發(fā)電適合用于1000kw以上機(jī)組，是當(dāng)今主流;

(2) 變速發(fā)電有同步發(fā)電機(jī)和雙饋異步發(fā)電機(jī)兩個(gè)方案;

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

(4) 錐形轉(zhuǎn)子風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可能是發(fā)展方向。