風力發(fā)電，所用天然風力，屬再生能源，零耗能，且發(fā)電過程中不會對環(huán)境造成污染，沒有排放。風能作為清潔的可再生能源，憑借其獨特的優(yōu)勢，在能源的可持續(xù)發(fā)展中扮演重要角色。近年來，隨著風力發(fā)電技術的日益成熟，風電場的規(guī)模效益突顯，世界各地開始大力建設大規(guī)模甚至超大規(guī)模的風電場。

自21世紀開始，全球風力發(fā)電的總裝機容量增加了9倍，并且正在迅速鞏固其作為全球能源結構主要組成部分的位置。由于各國政府期望降低對化石燃料的依賴，以及削減二氧化碳的排放的需要，分布范圍廣、豐富、取之不盡、用之不竭以及零燃料成本的風力資源正在成為各國越來越具有吸引力的選擇。通過2009年對世界風力資源的研究，哈佛大學科學家認為，二氧化碳排放前10名的國家僅靠風能就可以滿足其所有的用電需求。當然世界各國將會使用各種技術滿足未來的能源需求，但是以上觀點卻是沒有質(zhì)疑的：風力發(fā)電具有巨大的潛力，它不僅可以取代化石燃料，而且在穩(wěn)定全球氣候方面起著主導作用。

即使面臨著全球經(jīng)濟衰退的影響，2009年全球風電產(chǎn)業(yè)仍然創(chuàng)造了一個新的記錄，總風力發(fā)電裝機容量達到158 000MW。伴隨著31%的跳躍式增長，目前全球風力發(fā)電量足夠滿足2.5億人的生活用電需求。世界上有70多個國家使用風力發(fā)電，其中17個國家目前有至少1 000MW的裝機容量。

2009年，中國新增13 000MW裝機容量，這個驚人的增速處于世界領先位置，也是一個國家首次在一年內(nèi)新增裝機容量超過10 000MW。中國過去每五年裝機容量就翻一番，目前以25 000MW的裝機容量位于世界第三位，僅次于美國和德國?？紤]到還有更多的大規(guī)模項目正在規(guī)劃中，中國不可能長期居于世界第三。

一、水平軸風力發(fā)電機簡介

水平軸風力發(fā)電機是指風輪軸線的安裝位置與水平面平行的風力發(fā)電機?，F(xiàn)在普遍使用的并網(wǎng)型水平軸風力機如圖1所示。水平軸風力發(fā)電機按風輪的布置有上風向和下風向之分。上風向風輪安裝在塔架前面，有利于避免塔架背后塔影效應的影響；上風向風輪需要有調(diào)向裝置以便使風平行流過旋轉(zhuǎn)軸的方向。下風向風輪安裝在塔架的后面，其最大的缺點是葉片通過塔影會造成風力波動，引起更大的疲勞載荷。理論上，下風向風輪可以不安裝調(diào)向裝置，風輪和機艙將被動地隨著風向變化而變化。然而，這會引起陀螺載荷，且當風輪在一個方向上偏航很長時間時，會妨礙電纜的解纜而產(chǎn)生絞纜。目前絕大多數(shù)的風力機采用上風向風輪。

圖1 3.6MW水平軸異步雙饋風力發(fā)電機

風力發(fā)電機的主要組成部分：葉輪，將風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能；傳動系統(tǒng)，將葉輪的轉(zhuǎn)速提升到發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速；發(fā)電機，將葉輪獲得的機械能再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；偏航系統(tǒng)，使葉輪可靠地迎風轉(zhuǎn)動并解纜；其他部件，如塔架、機艙等。

根據(jù)機組的風輪不同，可分定槳、變槳和主動失速型。驅(qū)動鏈不同可分為：直驅(qū)、半直驅(qū)、傳動主軸加齒輪箱型。發(fā)電機不同可分為：感應發(fā)電機、同步發(fā)電機、異步雙饋發(fā)電機。

二、控制系統(tǒng)

1.控制策略

風力機的控制策略是一項涉及多個學科的綜合技術，涉及到空氣動力學、結構動力學、電機學、變流器及電網(wǎng)接入系統(tǒng)。它隨著風力機技術的不斷發(fā)展而不斷創(chuàng)新和優(yōu)化。風力機控制策略主要由安全系統(tǒng)與控制器系統(tǒng)兩大部分組成，它們主要任務：保證風力機安全可靠運行；獲取最大能量；提供良好的電力質(zhì)量。因此，為了達到這一控制目標， 風力機控制策略從早期的定槳距發(fā)展到變槳距，接著發(fā)展到近年來采用的變槳變速恒頻控制技術。

早在20世紀80年代中期，機組為定槳距定轉(zhuǎn)速風力機， 主要解決了風力機的并網(wǎng)問題和運行的安全性與可靠性問題，采用了軟并網(wǎng)技術、空氣動力剎車技術、偏航與自動解纜技術，這些都是并網(wǎng)運行的風力機需要解決的最基本問題。到了20世紀90年代后期，風力機的可靠性已不是問題，變槳距風力機開始進入風力發(fā)電市場。此種機組具有良好的起動和氣動剎車性能，并網(wǎng)后可將功率限定在額定范圍。變槳距風力機初期在額定風速以下運行時的效果仍不理想，隨著變流器技術的發(fā)展和應用，在額定風速以下可以通過變流器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩來控制轉(zhuǎn)速，大大提高了額定風速以下運行時的風能捕獲。

根據(jù)空氣動力學原理，風能吸收利用的效率與兩個因數(shù)有關，一個是葉尖速比，它的定義為葉尖線速度與風速的比值；另一個是槳距角，它的定義為葉片弦長與旋轉(zhuǎn)平面的夾角。風能利用系數(shù)是葉尖速比和槳距角的二元函數(shù)，曲線有點類似開口向下的拋物線，當槳距角一定時，對于不同的葉尖速比區(qū)間，存在一個最佳風能利用系數(shù)，而對應的葉尖數(shù)比稱為最佳葉尖數(shù)比。也正因為這個理論，當風力機達到額定功率以后，可以通過改變槳距角，從而降低風能利用系數(shù)，來限定風力機的額定功率。

因此，經(jīng)典的變速變槳風力機控制方法根據(jù)空氣動力學理論將運行過程分為三個階段進行控制，其工作過程如下：

第一階段是起動階段。它指的是風力機從靜止或準靜止的停止狀態(tài)到旋轉(zhuǎn)升速狀態(tài)的一個過程。風力機在停機狀態(tài)時，風力機槳葉處于順槳位置，角度一般在90。，這個狀態(tài)理論上是不吸收風能，但是風的擾動還是會引起風輪來回擺動或以非常慢的速度轉(zhuǎn)動，一般稱停機狀態(tài)為靜止或準靜止狀態(tài)。當風力機需要進入啟動狀態(tài)時，槳葉從順槳位置調(diào)節(jié)至迎風位置，角度一般在0。，在這個狀態(tài)，根據(jù)槳葉的空氣動力學理論，如果風速達到風力機的設計啟動風速，槳葉的升力就會大于阻力，推動風輪開始旋轉(zhuǎn)，風輪開始吸收風能轉(zhuǎn)化為機械能。當風速達到風力機的并網(wǎng)風速時，風輪可以慢慢升速到風力機的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速。此時，發(fā)電機可以通過變流器或其他電力裝置實現(xiàn)并網(wǎng)，風力機開始由機械能轉(zhuǎn)化為電能。

第二階段是最佳風能利用系數(shù)工作階段。風力機并網(wǎng)后，在額定風速下運行的一段區(qū)域，這一階段主要通過控制策略實現(xiàn)風力機變轉(zhuǎn)速運行。風速是一個隨機變化的參量，為了保證葉尖速比不變，風輪轉(zhuǎn)速就必須跟隨風速變化而變化，這樣才能實現(xiàn)最大限度地獲得能量。由于風速的隨機變化性太大，在額定風速以前，目前大多數(shù)跟蹤最佳葉尖速比的控制方法是采用簡單的查表及線性差值計算。數(shù)據(jù)表來源于穩(wěn)態(tài)風速工況，根據(jù)設計的最佳風能利用系數(shù)和風速區(qū)間計算穩(wěn)態(tài)情況下的風輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩，實際風輪轉(zhuǎn)速對應的轉(zhuǎn)矩就通過有限穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進行拉格朗日差值計算得到。該控制策略雖不能精確跟蹤最佳葉尖速比，但是能保證其控制在一定的范圍內(nèi)，不會因為控制不好發(fā)散或控制結果很差。

第三階段是功率限定工作階段。當風速高于額定風速以后，隨著風速增大，風輪吸收的氣動功率也不斷增大，從而發(fā)電機的電功率不斷增大。當發(fā)電機的電功率超過設計額定值以后，如果不對功率進行限制，就會出現(xiàn)發(fā)電機超功率，機械結構所受的載荷超出安全值，因此需要限定風能的吸收。在這個工作階段，可根據(jù)空氣動力學理論調(diào)節(jié)槳葉來限定風能吸收，從而達到控制發(fā)電機的電功率控制在額定值左右。當出現(xiàn)大風速波動的情況，運行發(fā)電機的轉(zhuǎn)速超出額定值但小于安全轉(zhuǎn)速，即將瞬間風速的增大轉(zhuǎn)換為動能，但是可以通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的電磁扭矩來保證功率額定。

2.控制系統(tǒng)功能

風力機控制系統(tǒng)主要功能：運行操作控制、設備狀態(tài)監(jiān)控、完備的故障保護機制、數(shù)據(jù)記錄及日志系統(tǒng)。 運行操作控制，主要為風力機工作的主流程：

圖2 控制系統(tǒng)運行流程

(1)啟動

當風速檢測系統(tǒng)在一段持續(xù)時間內(nèi)測得風速平均值達到切入風速，并且系統(tǒng)自檢無故障時，控制系統(tǒng)發(fā)出釋放制動器命令，機組由待風狀態(tài)進入低風速起動；

(2)自檢

在自檢測程序模式下，主控制器將變槳系統(tǒng)進行測試，主要包括變槳速度、變槳位置以及高速軸剎車檢測。

(3)發(fā)電機空轉(zhuǎn)

釋放高速軸制動，槳葉調(diào)節(jié)到0。，風輪開始旋轉(zhuǎn)，風輪速度增加?？刂骑L輪轉(zhuǎn)速位于并網(wǎng)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，以便向變頻器發(fā)出并網(wǎng)信號。

(4)并網(wǎng)控制

當控制風輪轉(zhuǎn)速維持在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，向變頻器發(fā)出勵磁指令，變頻器收到勵磁指令之后對發(fā)電機進行勵磁，并且檢查主斷路器或接觸器兩端的電壓和頻率，確認符合并網(wǎng)條件后進行并網(wǎng)，并且反饋并網(wǎng)信號。收到變頻器發(fā)出的并網(wǎng)確認信號后，確認該信號并且進入發(fā)電模式。

(5)發(fā)電運行

當風力機進入發(fā)電模式后，槳距角位置和風輪轉(zhuǎn)速設定值通過計算求得。根據(jù)轉(zhuǎn)矩表向變頻器輸出轉(zhuǎn)矩要求和功率因數(shù)。如果在一定時間內(nèi)出現(xiàn)風速小于最低發(fā)電風速、發(fā)電機轉(zhuǎn)速小于發(fā)電機最低轉(zhuǎn)速、功率小于零kW，轉(zhuǎn)入停機狀態(tài)。

(6)停機

當風力機在控制過程中出現(xiàn)故障，則立即進入停機狀態(tài)。按故障等級分停機速度等級，一般分三級：正常停機，即槳葉以正常的速度順槳，發(fā)電機轉(zhuǎn)速低于脫網(wǎng)轉(zhuǎn)速以后脫網(wǎng)；快速停機，即槳葉以較快的速度順槳，發(fā)電機轉(zhuǎn)速低于脫網(wǎng)轉(zhuǎn)速以后脫網(wǎng)；緊急停機，即槳葉以最大的速度順槳，發(fā)電機立即脫網(wǎng)。

(7)偏航

當風向變化后，能夠控制機組調(diào)向使風輪正對風的方向，以正面吸收風能，提高風能吸收的效率。

除了以上控制主流程，風力機還有一套獨立于計算機控制的安全系統(tǒng)，即使控制系統(tǒng)發(fā)生異常，也不會影響安全鏈的正常動作。安全鏈采用反邏輯設計，將可能對風機造成致命傷害的重要機構部件的控制端串聯(lián)成一個回路。當回路中任意一個觸點發(fā)生故障，安全鏈斷開，引起緊急停機，執(zhí)行機構失電，風機瞬間脫網(wǎng)，從而最大限度的保證風機的安全。它主要保護節(jié)點：塔底機艙緊停按鈕、PLC看門狗、電源故障、超速、振動、變槳系統(tǒng)緊停、偏航扭纜、變流器緊停。

運行狀態(tài)監(jiān)控

電網(wǎng)監(jiān)控，即電網(wǎng)三相電壓、發(fā)電機輸出的三相電流、電網(wǎng)頻率及發(fā)電機功率因數(shù)等；氣象監(jiān)控，即風速、 風向、結冰、空氣密度等；機組狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控，即轉(zhuǎn)速 （發(fā)電機、 風輪）、溫度（發(fā)電機、控制器、軸承、增速器油溫等）、電纜扭轉(zhuǎn)、機械制動狀況、機艙振動、油位（潤滑油位、液壓系統(tǒng)油位）；反饋信號監(jiān)控，即松開機械制動、松開偏航制動器、發(fā)電機脫網(wǎng)信號等。

三、控制系統(tǒng)結構

從PLC系統(tǒng)定義來講，控制系統(tǒng)結構主要有硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。硬件系統(tǒng)主要由PLC的CPU、IO及通訊模塊組成；軟件系統(tǒng)主要根據(jù)系統(tǒng)設計要求編寫的控制策略和控制邏輯。

四、小結

控制技術是風力機系統(tǒng)最關鍵技術之一，為風力機運行指揮中心，相當于人的“大腦” ，是整個機組實現(xiàn)可靠安全運行及實現(xiàn)最佳運行的可靠保證。控制技術的研究對增強我國大型風力機的自主開發(fā)能力，提高風力發(fā)電機組的國產(chǎn)化率和降低機組成本具有重要意義。由于風力發(fā)電及其控制技術得到日益重視，國內(nèi)控制技術的研究也取得了較大進展，不斷地縮小與國外先進控制系統(tǒng)的差距，并針對國內(nèi)的風場環(huán)境開發(fā)了適合多種工況控制系統(tǒng)，如防低溫、防砂塵和抗臺風等控制系統(tǒng)。但是，國內(nèi)控制技術的可靠性和智能性控制還有待進一步優(yōu)化和改善。

雖然風力機控制系統(tǒng)的技術已經(jīng)發(fā)展了將近30年，出現(xiàn)了很多不同的技術流派，但是都有著一些共同的技術難點，它也將是未來技術的發(fā)展方向：

實現(xiàn)更高效地風能吸收智能控制，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等；

實現(xiàn)更高效地降低機組疲勞載荷，如控制風輪三個槳葉載荷均衡分布來降低機組疲勞載荷等；

實現(xiàn)公共電網(wǎng)智能調(diào)度和管理，能夠接受公共電網(wǎng)的調(diào)度和管理命令，同時能夠短時抗擊電網(wǎng)的不穩(wěn)定；

實現(xiàn)發(fā)電預測，結合衛(wèi)星氣象預報數(shù)據(jù)作出發(fā)電量預測；

實現(xiàn)與其他能源智能互補，如太陽能、海上潮汐、洋流發(fā)電等；

實現(xiàn)各種新技術的融合，如計算機通訊、發(fā)電機、電力電子等新技術。