风电7

100
风能技术
7.20 所示为实际运转时各部分功率波形。从中可以看出，可以满足图 7.18 的设计条件。 以上，对风力发电机组控制，发电机运转方式，风力发电机组控制系统作了介绍。控制方案根 据风力发电制造商、发电机类型、系统连接方式的不同而不同，一概而论比较困难。因此，本章所 介绍的只是基本原则和一些实例。 除此之外， 作为高端的控制方法的 PID 控制之外， 还有适应控制、 最优控制、模糊控制以及概率最优控制等方法，有兴趣的读者可以查阅参考文献。
103
风能技术
的特征，但也正是问题所在。因此，它在额定风速以下时的输出变动很大，在额定风速以上时也存 在额定功率 2 倍左右的输出变动。在与输变电线连接时还有可能引起电压变动。 ②绕线型感应发电机型(d)型)。该类型发电机用来代替笼型感应发电机，考虑要降低风速变动 所带来的输出变动，其转子部分采用了绕线型，采用晶闸管开关控制流经转子的电流(二次感应励 磁电流)，从而抑制风速变动产生的输出功率突变。这样其转数会在一定的可控范围内变化，一般 来说可变速控制范围在±10％左右。 由于采用了叶片桨距角控制，所以在额定风速以上时不能控制其瞬间电气输出，但可以维持作 为平均功率输出的额定功率， 利用上面提到的二次电流控制， 能够实现输出功率的稳定输出。 另外， 在切入时，该类型发电机的二次侧回路是断开的。因此在并网连接时产生的突人电流与额定电流为 同一数量级，这样对系统电压的影响会大大减轻。 表 8.1 各种发电机电气特性
风能技术
下面来说明控制方法。首先，功率控制系统先检出功率目标值与发电机功率的偏差，按照事先 制定的控制法则来计算桨距角指令值，定出单位时间内桨距角控制角度(桨距角控制速度)。一般来 说大多采用 PID 控制原理，但并不绝对，该控制方法也是因厂家不同而异。桨距控制装置一般有液 压控制装置和电气控制装置，在得到桨距角控制指令后开始桨距角控制。从该模块图中可知，风速 Vw 相当于控制理论中的外部干扰，为抑制干扰的影响要进行反馈控制。风力发电系统与一般的马 达和机器人等控制对象不同，其叶片的惯性很大，所以在这样的叶片上再加入变动很大的外部风速 干扰，要保证控制系统的高速响应性非常困难。因此，从设计控制系统角度考虑，风力发电系统的 控制系统是一个难度较大的设计对象。 下面，对图 7.11 的各模块加以说明。 ①风力发电机组模型。风力发电机组的机械功率由式(7.2)给出：
102
风能技术
①笼型感应发电机型(a)型)。多用于 1000kW 以下中小容量机组。主要原因是其结构简单。由 于其结构要求要在一定转速下运转，所以进入实际发电领域的风速要比切入风速高 1m／s。 在日本国内，与 6.6kV 输电线连接时，在切人时存在产生切入突入电流的问题。采用晶闸管软 启动器时，超过额定电流的 2～3 倍以上的电流会流入系统，致使系统电压下降的情况多有发生。 另 外 ， 极 数 切 换 时 也 会 产 生 突 入 电 流 ， 所 以 有 时 需 要 安 装 无 功 补 偿 装 置 (SVC ： Static Var Corepensator)。 笼型感应发电机直接与电网进行并网连接时存在很大问题，即使在风速变动时，其转速也要一 定。因此，要将从变动风速中所获得动能作为输出变动向外部输出，来保证转速一定。这是该类型
2πf ；p 为极对数；f 为频率。 p
3sV 2 Tg ≈ − ω0 r2
因此，如果考虑 s=(Ω 一 Ω0)／Ω0，则有下式：
(7.8)
97
风能技术
ΔTg = −
3V 2 Δs ω0 r2
(7.9)
= − K g ΔΩ
式中，Ω0 为风力发电机组机械性同步角速度；Ω 为角速度；Kg 为比例常数。 因此，忽略各种机械损失后的风力发电机功率变化 ΔP 可以表示为：
− K eGv ( s ) ΔP ( s ) = ΔVw ( s ) 1 + K eGI ( s )G pc ( s )Gv ( s )δ / α
(7.16)
至此，输入风速变动后，可以进行功率实测值和模拟计算值的对比分析，如图 7.16 所示。图
99
风能技术
中的微小变动部分是在转数 32r／min 时，从具有三枚叶片风力发电机组风频率中得来的 1.6Hz 成 分。
8.1.1. 发电方式与并网方式
下面介绍当今的商业化风力发电机种类及其电气特性。 (1)发电机种类 图 8.1 所示为风力发电机种类及其特性。20 世纪末，世界风电市场中多为 1000kW 左右的中型 机。其主流机型包括(图 8.1)：a)带齿轮的笼型感应发电机，d)带齿轮的绕线型感应发电机(转差可变 速控制)，i)无齿轮多极同步发电机(变频器可变速控制)等。进入 21 世纪，2000kw 级机种逐渐成为 了主流。为了使其输出变动尽可能小，e)带齿轮绕线型感应发电机(二次励磁可变速控制),i)无齿轮 多极同步发电机(变频器可变速控制)，这两种机型逐渐成为了主流。尤其是在德国，超大型机组， i)型 4500kW 机组从 2002 年开始投入运行，e)型 5000kW 饥组也于 2004 年末投入了使用。 对于其他机型，a)型存在输出变动和效率方面的问题，j)型因其存在永磁发电机的冷却问题和 价格问题等，近来使用的逐渐少了。但是，a)型的优点是功能简单，价格便宜，在山多地区便于安 装运输。因此，对于 1000kW 以下的装机要求来说，其在今后一段时间内仍然会被采用。 (2)电气特性 图 8.1 所示的 a)、d)和 i)为目前市场的主要机型，表 8.1 给出了其电气特性。由于发电方式不 同，切人风速、并网连接时的突入电流、中低风速范围内发电效率、额定风速以上时输出变动以及 切出方法等都有很大的不同。
101
风能技术
8. 风力发电系统
目前，在风力发电机组并网连接方面还有许多需要探讨的课题。与以往小水电和小火电(柴油 机、燃气发电机)不同，除了需要考虑在并网连接端的控制条件外，风力发电机组的问题更多地集 中在不能实现同时同量上。本章主要介绍风力发电机组电气特性、并网连接的必要事项、离网型和 蓄电池系统的特征等方面内容。
式中的 γ，a 和 δ 可以按照下面的式子得出[7,8]：
3 2 V V ∂C p ∂Tw = − K wC p w + K w R w ∂Ω Ω Ω ∂λ
2
γ=
∂C V ∂T α = w = 3K wC p w − K wΩVw p ∂Vw Ω ∂λ
3 Vw ∂C p ∂Tw δ= = Kw ∂β Ω ∂β
(7.11)
+ ΔT ΔTw = JΔΩ g
式中，ΔTw 为风力发电机组力矩变化；ΔTg 为发电机力矩变化；ΔΩ 为角速度变化。 式(7.12)的左边可以写成：
(7.12)
ΔTw = γΔΩ + aΔVw + δΔβ
从式(7.9)和式(7.13)可以得到下式：
(7.13)
= (γ + K )ΔΩ+ aΔV + δΔβ JΔΩ g w
(2)变转速控制 在此举例介绍变转速控制方式[11]。如前所述，该方式的优点是，通过增加转数来吸收突发产生 的气动力矩，抑制发电机的功率变动，使其在额定风速以下获得最大能量转换率点。图 7.17 所示 为利用 AC-DC-AC 连接方式的变转速风力发电机组模块图。
模块图中的变压变频(VVVF)变换器，用变换器输出并联电容器提供发电机励磁电流。为避免 发电机电压的磁力饱和，对频率进行成比例的控制。在切入风速和额定风速之间，通过控制使发电 机功率保持在最大效率点发电。当达到额定风速以上时，PWM 变换器的功率会受到控制。桨距角 在切人风速和额定风速之间时保持一定数值，当达到额定风速以上，通过调节器使其与离心力相平 衡，进行被动控制，使其得到自动调节。在额定风速以下，桨距角保持一定数值。在额定风速以上 时，检测出图中虚线部分的各状态，进行桨距角控制。图 7.18 所示为变转速风力发电机组工作特 性。如图所示，可允许的转速范围能够达到同步转速的－10％～25％，可以将功率变动作为能量储 存起来，功率变动也随之得到控制。另外，这里的发电机用的是笼型感应式发电机。图 7.19 和图
Pw = C P
1 ρAVw 3 2
3
= C p K wVw Kw =
1 1 ρA = ρπR 2 2 2 PW C P ρAVW = Ω 2Ω
2
风力发电机组产生的力矩 Tw 为：
3
TW =
= Ct K tVW
此处， Ct =
(7.6)
Cp
λ
为力矩系数。
Kt =
1 ρπR 2 2
②感应发电机。发电机转数是以桨距角控制为依据，按照额定转差来运转。但风总是在变动， 所以一般来说，应该是在额定转差的附近变动。因此，发电机工作方程式，严密地讲应该用 d-q 轴 变换法通过微分方程的形式给出。但是与机械过渡现象相比，电气过渡现象可以忽略不计，所以， 在定常状态下可以按下式来表示[7]:
Tg = −3

sV 2 r2 ω0 [(r2 − sr1 ) 2 + s 2 ( x1 + x2 ) 2 ]
(7.7)
式中，Tg 为力矩；r1，r2 为 1 次、2 次电阻；x1，x2 为 1 次、2 次电抗；s 为转差；w0 为电气性同步 角速度， ω0 = 由于发电机以很小的转差值(例如，0.01％左右)运转，所以 s 很小，则式(7.7)可以近似简化为
针对微小变化部分的控制系统模块图如图 7.15 所示。此处，GI(s)，Gpc(s)分别是功率控制系统 和桨距控制系统的传递函数。利用该模块图可以模拟计算出风速变化时的桨距角和功率响应，进行 控制系统的设计。从图 7.15 中可以得到下面的传递函数。其中，GI，Gpc 是将非线性部分忽略后得 到的。
Kw =
ρA
2
ΔΩ( s ) a = ΔVw ( s ) sJ − (γ + K g )
由此可以得到下面的传递函数：