风力发电系统控制技术发展历程

摘要

风力发电正在中国蓬勃发展，即使在金融危机的大形势下，风力发电行业仍然不断的加大投资。在2008年，风力发电仍然保持着30%以上的强劲增长势头，包括Vestas、Gemsa、GE、国内的金风科技、华锐、运达工程等其订单交付已经到2011年后。在风力发电系统中需要解决的基本矛盾是如何在风速变化的情况下，获得较稳定的电压输出。既要考虑到风能的特点，又要考虑到用户的需要，达到实用、可靠、经济的运行效果，关键环节之一就是要有一个稳定、可靠、功能齐全的控制系统。

本文介绍了世界风力发电控制系统的发展历程和我国的研究现状以及对风力发电系统控制技术的前景分析。分析并得出风力发电系统中，控制系统是确保机组安全可靠运行、优化机组效率的关键。关键词：风力发电、控制系统技术、发展历程。

目录

第一章风力发电技术的前景 (1)

第二章风力发电系统控制技术的介绍 (3)

一风电控制系统简述 (4)

二风力发电控制技术的发展历程 (4)

三控制目的 (5)

结束语 (6)

参考文献 (7)

风力发电系统控制技术发展历程

第一章风力发电技术的前景

人类对于风能的开发利用也很早就开始了。但是，近代火力、水力发电机的广泛应用和20世纪50年代中东油田的发展，使风力发电机的发展缓慢下来。在我国风力发电机组的研制工作开展较早，但是没得到足够的重视与支持，因而发展较慢。五十年代后期有过一个兴旺时期，吉林、辽宁、内蒙古、江苏、安徽和云南等省都研制过千瓦级以下的风车，但是没有做好巩固和发展成果的工作。七十年代后，随着国民经济的较快发展出现了能源供应紧张、环境污染严重等现象，另外由于科技意识日渐深入人心，可再生无污染的风能利用受到了足够的重视。在浙江、黑龙江、福建研制出了较大功率的机组；内蒙古的有关单位研制的小型风力发电机已有批量生产，用于解决地处偏远、居住分散的农牧民住户、蒙古包的生活用电和少量生产用电。八十年代以来，风力发电在我国得到了相应的发展。目前微型（<1KW）、小型（1-10 KW）风力发电机的技术日渐成熟，已经达到商品化程度。同时大型风力发电机组（600 KW）也研制成功，并已投入了运行。此外，从国外引进了大型风力发电机组建设了20余个风电场。总装机容量达到了近25MW。从统计资料来看，在我国风能利用与风力发电技术虽然有了一定的进展，与国外先进国家相比较仍然存在差距，尤其是在大型风力发电机组的开发与研制方面。

从统计资料来看，在我国风能利用与风力发电技术虽然有了一定

的进展，与国外先进国家相比较仍然存在差距，尤其是在大型风力发电机组的开发与研制方面。国内外风力发电的控制技术按功率调节方式大体上可分为以下两类：

第一类是定桨距失速控制的恒速恒频(}SCF]发电方式。这种机组的输出功率随风速的变化而变化，系统通过一定的调节，保持风力机转速恒定，从而实现发电频率的恒定。但当风速变化时风力机偏离其与最大风能相对应的最佳速度，导致风力资源浪费，发电效率下降。定桨距风机技术是丹麦风电技术的核心。它主要利用桨叶翼形的失速特性，在高于额定风速时，达到失速条件后，桨叶表面产生涡流，效率降低，达到限制功率的目的。定桨距机型优点是调节和控制简单。缺点在于对叶片、轮载、塔架等主要部件受力增大，而且风力超过额定风速后风机出力反而下降。

第二类是变桨距调节控制的变速恒频仅scF)发电系统。在定桨距基础上加装桨距调节环节，称为变桨距风力机组。其特点是:通过适当的控制，根据风速的变化调节风力机的转速，实现各种风速下最大风能捕获。使风力机的叶尖速比达到或接近最佳值，而不

影响输出电能的频率，从而最大限度的利用风能。变桨距风机在风速高于额定风速时，通过调节桨距角的变化，减少吸收的风能，从而使风电机输出的有功保持稳定，这体现了变桨距风机的优势.但变桨距风机也有缺点:制造成本高，结构复杂，不像定桨距风机那样易于维护。恒速恒频风电机组在额定转速附近运行，滑差变化范围较小，从而发电输出频率变

化也较小，所以称为恒速恒频风力发电机组。

恒速恒频风电机组运行中会从电网中吸收无功电流建立磁场，导致电网功率因数变差，因此，一般在风机出口处装设可投切的并联电容器组提供非连续可变的无功补偿，采用可控硅软并网技术将起动电流限制在额定电流的1i2 } } f倍之内以防止并网失败，还采用气动刹车技术、偏航和自动解缆等技术解决凡力发电机组并网运行的可靠性问题。

第二章风力发电系统控制技术的介绍

一风电控制系统简述

风电控制系统包括现场风力发电机组控制单元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等部分。现场风力发电机组控制单元是每台风机控制的核心，实现机组的参数监视、自动发电控制和设备保护等功能；每台风力发电机组配有就地HMI人机接口以实现就地操作、调试和维护机组；高速环型冗余光纤以太网是系统的数据高速公路，将机组的实时数据送至上位机界面；上位机操作员站是风电厂的运行监视核心，并具备完善的机组状态监视、参数报警，实时/历史数据的记录显示等功能，操作员在控制室内实现对风场所有机组的运行监视及操作。

风力发电机组控制单元（WPCU）是每台风机的控制核心，分散布置在机组的塔筒和机舱内。由于风电机组现场运行环境恶劣，对控制

系统的可靠性要求非常高，而风电控制系统是专门针对大型风电场的运行需求而设计，应具有极高的环境适应性和抗电磁干扰等能力，其系统结构如下：

风电控制系统的现场控制站包括：塔座主控制器机柜、机舱控制站机柜、变桨距系统、变流器系统、现场触摸屏站、以太网交换机、现场总线通讯网络、UPS电源、紧急停机后备系统等。

二风力发电控制技术的发展历程

定桨距恒速恒频→变桨距变速恒频→功率平稳控制（有功有限调度，无功电压控制，电网故障穿越）→大规模风电输送和分配

2.1 控制系统发展历程

风力发电控制系统的基本目标分为3 个层次：保证可靠运行；获取最大能量；提供良好的电力质量。因此，为了达到这一控制目标，风力发电系统的控制技术从定桨距发展到变桨距又发展到近年来采用的变速控制技术。20 世纪80 年代中期开始进进风力发电市场的定浆距风力发电机组，主要解决了风力发电机组的并网题目和运行的安全性与可靠性题目，采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术，这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本题目。20 世纪90 年代后，风力发电机组的可靠性已不是题目，变距风力发电机组开始进进风力发电市场。此种机组起动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的起动性能和功率输出特性都有明显改善。