大型风力机的控制技术_风力发电机及其控制

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大型风力发电机的控制技术

Control Technology of Large Wind Turbine

付广振王维庆

新疆大学电气工程学院 新疆乌鲁木齐市延安路1230号 邮编 830047

摘要：本文分别介绍了在不同风速条件下小型、中型以及大型风力机的控制方法；此外，还分析定桨距控制方法与变桨距方法各自的优缺点。本文同时还介绍了在额定风速以内，以及超出额定风速后的控制方法，以及风机组控制中的一些其他的控制问题。

Abstract: This paper shows the control methods of small;middle and large sized wind power turbine under different wind speed , analyze the advantages and disadvantages of wind turbine with fixed blades and variable blades system.In the paper the other methods of control under the condition of limit and over limit of wind speed are also introduced.Keywords: wind turbine , wind speed ,fixed blades, variable blades

关键字：风力机，风速，定桨距，变桨距

0介绍

风力机是一种叶片式机械，风力发电是将风的动能转化为机械能，再带动发电机发电，今儿转化为电能。由于风力机从自然界中索取的能量是有限的，而且在能量转换中存在能量损失。所以存在一个风能利用系数Cp，又根据德国著名的贝兹极限理论得知，Cp

CpPr

12(1)3vS

式中Pr风力机实际获得的轴功率，W；

ρ 空气密度；

ν 上游风速；

S风轮的扫风面积。

另外，叶片的力矩系数用Ct表示。它表示风力叶片从空气流中吸收的能量与转送到发电机轴上的能量之比。用以下公式表示：

CtCpvCpR(2)

其中R是桨叶的半径；

ω是桨叶的角速度；

λ 是叶尖速比

根据空气的动力学理论，Cp, Ct在风力机的能量转换，功率输出方面有着重要的理论意义[2]。图一是风能利用系数Cp与风速ν的关系曲线。

风

能

利

用

系

数

Cp

8风速(m/s)

图一

由图可知，在风速等接近8m/s的时候，风能利用系数最大。表明此时风力机吸收的功

率最大。当风速低于8m/s的时候，Cp仍有增大的空间，即风力的功率可以增加；但是当风速超过8m/s的时候，Cp反而变小。原因是叶片产生失速，从而限制了功率的增加。这个失速特性在风力控制和风机的动力学研究中有重要的意义。在变桨距中，桨距角的不同，上面的风能利用系数和风速的关系曲线也不同。对于风能利用系数Cp而言，它有两个工作点，一个是在低风速区域，另一个是在高风速区域。由于风力机的型号大小不一样，所以采取的控制策略也不尽相同。但是，保证风力机发电的稳定性和确保达到额定输出功率是风力发电系统的核心目标。

桨叶从自然风中获得实际功率

P1

2CpSv（3）

3由上式我们可以得知，功率与风速的三次方成正比关系。由此可以推断，如果风速有小

范围的变化，那么就会导致风轮吸收功率有大的变化，从而输入功率大的变化。这是我们不愿意看到的。风力机控制的目标就是即使风速在大的范围内有所变化，风机输出地功率依然要保持一定的稳定性。幸运的是在实际运行中，由于发电机功率传送器件和线路，叶片的机械强度以及机械齿轮的旋转都存在误差，叶片从自然风中吸收的功率不完全服从式[3]。在风力机的控制中，有三种情况必须予以考虑。一是在低风速时的运行；二是在额定风速时的运行；三是在高风速（超过额定风速）时的运行。这三种情况几乎涵盖了风力控制中所有的问题。此外，由于桨叶的设计形状不一样，它们的攻角也不一样。攻角不仅影响风能利用系数Cp，也影响系统的功率输出和稳定性。所以很有必要研究在不同攻角情况下桨叶的气动特性和控制策略。

1定桨距风力机

定桨距风力机主要应用于中小型的风力发电系统中。这些风力机叶片的尺寸相对都比较

小。由于桨叶与轮毂的连接是固定的，即使当风速发生变化时，桨叶的节距角不能随之变化。风能利用系数与桨叶的结构有着直接的关系。在低风速情况下，输出功率也低，这种运行情况在实际中是没有商业价值的。由于在风场的最初设计和选址中都已经考虑了区域的风资源情况，从而可以尽量避免上述情况。在额定风速下，定桨距风力可以达到最大风能利用系数。在风机设计中，我们总是把额定风速的范围设计的尽量大，以得到一个稳定的功率输出。在超过额定风速的时候，风机可以通过自带的齿轮箱来缓冲叶片与发电机轴的速度比。如果风速在短时间内变化频率过高，风速时而低时而超过风机额定风速，这时由于观测器和控制器无法快速有效的跟踪，所以风机应该停止运转。此时，空气动力刹车系统开始运行，一般是在桨叶的末端安装一个叶尖扰流器。由于风力机风轮巨大的转动惯量，如果风轮自身没有有效的制动能力，在高风速下要求停机是不可想象的。当风机正常运行时，在液压系统的作用下，叶尖扰流器和桨叶主体精密的合为一体组成完整的桨叶。当风力机需要停机时，在液压的作用下叶尖扰流器释放并旋转80°—90°形成阻尼板，这一过程称为桨叶空气动力刹车

[4]。空气动力刹车可以是主动式或者被动式。两者最大的区别在于是否能自动复位。被动式的需要人工复位，早期的风力发电机大都采用被动式空气动力刹车，而大型的风力发电机组大都采用主动式的。当风速达到一定值以后，就会产生叶片失速，从而限制了功率的增加。事实上，定桨距风力机还存在低风速运行时的效率问题。由于气流是不断变化的，如果风力机的转速不能随风速的变化进行调整，就必然在使风轮在低风速时的效率降低，否则如果设计低风速时效率过高，会使桨叶过早进入失速状态。为了解决这一问题，定桨距风力发电机组一般采用双速发电机。低功率发电机工作在低风速条件下，而高功率发电机则工作在高风速条件下，已达到获得最佳风能利用系数Cp的目的。

定桨距风机的最大的优点在于它的经济性，它结构简单，部件少，价格便宜，且具有较

高的安全系数。本身的控制系统相对简单，维护成本也小。但由于桨叶不能调整，所以必须根据风机所在地区的风力资源情况设计相应的风机叶片，已达到获得佳风能利用系数的目的。但是桨叶本身结构较复杂，成型工艺难度也比较大；然而经最优设计好的桨叶经粉尘、冰霜的腐蚀慢慢的不具有最优性，甚至丧失。随着功率增大，叶片加长，所承受的气动推力也增大，进而失速动态特性不易控制，所以很少应用在兆瓦级以上的大型风力发电机组上。2变桨距风力机

变桨距风力机的桨叶不是固定在轮毂上的，是可以旋转的。叶片的安装角可以随风速而

变化。安装角β，它是翼型弦线与风轮旋转面的夹角。随着节距角的增大，Cp反而会变小。图二所示是在不同节距角下，Cp与叶片的叶尖速比λ关系。在一定负载情况下，当风速超过其设计风速时，依然可以保持较高的Cp和较高的功率输出。在不同风速下，叶片在其额定转速下改变形状来捕捉合适的风能。同时在设计风机时，叶尖速比也是一个非常重要的因素。当风机运行在额定风速以下时，桨叶不发生变化，和定桨距控制一样；但当风速达到或超过额定风速时，桨距角改变，将发电机的输出功率限制在额定值附近。大型风力机的桨叶可以随风速的变化进行自动调整。

图二

此外，变桨距风力发电机根据变桨距系统所起的作用可以分为三种运行状态，即启动状态、欠功率状态和额定功率状态。桨叶静止时，节距角为90°，当风速达到启动风速时，桨距角转向0°，直到攻角足够大，风轮开始启动。这与定桨距风机相比，省去了专门的启动装置。至于欠功率状态，为了改善低风速时的桨叶气动性能，以Vestas为代表的新型变浆风机采用了Optitip技术。此技术就是根据风速的大小调节发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶速比,以达到优化功率输出的目的[3]。

但是变桨距控制本身也有缺点。由前面公式知道，桨叶获得的功率与风速的三次方成正

比关系，和定桨距风机类似，桨距的调节响应速度会赶不上风的变化速度。此外，变桨距调节的能力有很有限，这是由于受到桨叶的材料强度的限制以及大风的情况。

3变桨距风力机的其他控制方法

现在风机存在朝大型化发展的趋势，风电在电网中的比例也在逐步提高。风力发电对整

个电网的影响也在增大，合适的控制方式可以减少风机对电网的影响[4]。在大型风力发电机组中，为了获得一个合适的Cp单靠变桨距控制还是不够的。发电机选择以及运行控制方式也至关重要。目前市场上的采用的大都是异步发电机，恒速运行。优点是风机控制简单，可靠性高；不足之处是由于转速基本恒定，而风速经常变化。因此风力机经常工作在较低的风能利用系数上。为了弥补以上的不足，研制了变速运行的风力发电机组，它一般采用双馈异步发电机或者多级同步发电机。随着电力电子技术的发展，而后又采用变速恒频的控制方式

[5]，它具有效率高，控制灵活的特点，且可以较好的调节系统的有功功率以及无功功率，但是控制系统较为复杂，成本较高。

4结论

风力机理论上应该设计运行在额定的Cp点上。在不同的风速和地域条件下，风机别希

望工作在最佳的Cp。同时为了得到稳定可靠的输出功率，风机控制系统的响应速度必须足够快和准确。随着风力机逐步大型化的趋势，桨叶的尺寸也不断增大，控制方式也从基本单

一的定桨距失速控制朝着变桨距和变速恒频控制的方向发展，甚至向智能控制发展[6]。

参考文献

[1] Tony Burton, David Sharp, Nick Jenkins.Wind Energy Handbook.John Wiley & Sons.Ltd.2005

[2] 屠大燕.流体力学和流体机械[M].北京：中国建筑工业出版社，1994

[3] 霍志红, 郑源，等.风力发电机组的控制技术 中国水利水电出版社，2010

[4] Pedro Rosas.Dynamic Influences of Wind Power on the Power System 2003

[5] 卞松江.变速恒频风力发电关键技术研究[D].浙江大学博士论文 2003

[6] 黄星星.风力发电机组变桨距控制关键技术的研究[M]，中国农业大学硕士论文 2007