馬慶杰

摘 要：風(fēng)電是一種具有間歇性、波動(dòng)性的電源，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)給電網(wǎng)調(diào)度和運(yùn)行都帶來(lái)了挑戰(zhàn)。國(guó)家電網(wǎng)公司制定的Q/GDW 392-2009《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中指出，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)具備有功功率調(diào)節(jié)能力，能根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度部門指令控制其有功功率輸出。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率的控制，風(fēng)電場(chǎng)需配置有功功率控制系統(tǒng)，接收并自動(dòng)執(zhí)行調(diào)度部門遠(yuǎn)方發(fā)送的有功功率控制信號(hào)，確保風(fēng)電場(chǎng)最大有功功率值及有功功率變化值不超過(guò)電網(wǎng)調(diào)度部門的給定值。在電網(wǎng)緊急情況下，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度部門的指令控制其輸出的有功功率，并保證風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制系統(tǒng)的快速性和可靠性。必要時(shí)，可通過(guò)安全自動(dòng)裝置快速自動(dòng)切除或降低風(fēng)電場(chǎng)有功功率，但是在很好地完成調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)功率輸出的同時(shí)，功率控制系統(tǒng)的使用也大大縮短了風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)部件的使用壽命，在一定程度上增加了風(fēng)電企業(yè)的發(fā)電成本，文章對(duì)風(fēng)功率控制系統(tǒng)的使用中有利與弊進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電；功率控制；風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)的影響

中圖分類號(hào)： TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）28-186-2

0 引言

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)很多風(fēng)力發(fā)電企業(yè)均使用了風(fēng)力控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)功率進(jìn)行控制，以滿足電網(wǎng)對(duì)風(fēng)功率的要求，同時(shí)也方便了風(fēng)電場(chǎng)的工作，在電網(wǎng)要求控制負(fù)荷時(shí)不需要進(jìn)行手動(dòng)操作那樣頻繁的啟停風(fēng)機(jī)，取而代之的是在風(fēng)功率控制系統(tǒng)上輸入指定數(shù)值，從而達(dá)到這樣方便快捷的效果，但這樣的方便快捷是靠大大加重風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)工作量，是變槳原件頻繁工作變槳換來(lái)的。

1 風(fēng)電場(chǎng)功率控制系統(tǒng)作用

①在風(fēng)速允許的情況下，風(fēng)電場(chǎng)控制功率在0到額定容量之間根據(jù)設(shè)定調(diào)節(jié)。

②自動(dòng)調(diào)節(jié)有功功率：系統(tǒng)能自動(dòng)控制風(fēng)電場(chǎng)的有功功率輸出，使總有功功率保持在限定目標(biāo)值附近，控制誤差平均在±10%以內(nèi)。

③風(fēng)電場(chǎng)有功功率自動(dòng)調(diào)節(jié)遵循“允許更多風(fēng)機(jī)運(yùn)行”的控制主策略，采用混合方式進(jìn)行功率控制，及風(fēng)機(jī)限功率和停機(jī)并存的方式，所有風(fēng)機(jī)采用輪停的方式停機(jī)，可避免風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)，對(duì)停機(jī)超過(guò)限定的時(shí)間的機(jī)組自動(dòng)重啟。

④系統(tǒng)可與電網(wǎng)調(diào)度中心進(jìn)行連接，接收遠(yuǎn)程調(diào)度的控制指令，根據(jù)指令手動(dòng)或自動(dòng)開啟功率自動(dòng)控制功能，進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)有功功率智能調(diào)節(jié)。

⑤可設(shè)置由于特殊原因不能進(jìn)行調(diào)節(jié)操作的機(jī)組不停電，也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要優(yōu)先調(diào)控選定的風(fēng)機(jī)。

⑥可以計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)的當(dāng)前的理論有功功率，統(tǒng)計(jì)限電條件下的損失功率，并將該值上傳給調(diào)度中心。

⑦風(fēng)速預(yù)警：系統(tǒng)可以設(shè)定某風(fēng)速值作為預(yù)警風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)任意一臺(tái)機(jī)組的瞬時(shí)風(fēng)速超過(guò)該值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)以語(yǔ)言或屏幕提示信息的形式進(jìn)行報(bào)警，提醒風(fēng)電場(chǎng)值班人員引起注意，風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)入大風(fēng)狀態(tài)。

⑧功率超限預(yù)警：當(dāng)打開系統(tǒng)的功率超限預(yù)警功能后，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)定某個(gè)限定負(fù)荷值，風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)的有功負(fù)荷一旦超過(guò)限定值，系統(tǒng)即以語(yǔ)言或屏幕提示信息的形式進(jìn)行報(bào)警，提醒風(fēng)電場(chǎng)值班人員引起注意。

⑨風(fēng)電場(chǎng)功率控制的結(jié)構(gòu)圖：

2 有功功率調(diào)節(jié)

根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度指令，在保證風(fēng)機(jī)的使用壽命，減少風(fēng)機(jī)故障的前提下，采用變漿及啟停機(jī)的方式對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的有功出力進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)調(diào)整。

目前主要有兩種調(diào)節(jié)功率的方法，都是采用空氣動(dòng)力方法進(jìn)行調(diào)節(jié)的，分別是失速調(diào)節(jié)法、變槳距調(diào)節(jié)辦法；

2.1 失速控制

失速控制主要是利用氣流流經(jīng)翼型時(shí)，隨著迎角的增加，翼型上的氣流邊界層逐漸從翼型表面分離，最終完全脫離翼型表面的原理進(jìn)行的。

失速型風(fēng)電機(jī)組的葉片是以一個(gè)固定角度安裝在輪轂上，這個(gè)角度稱為安裝角。葉片的迎角延葉片軸向從根部向葉尖逐漸減少。隨著風(fēng)速的增加，氣流邊界層首先從靠近也跟部分開始分離，邊界層分離的位置逐漸向葉尖擴(kuò)展，原來(lái)已經(jīng)分離的部分的分離程度加深。由于葉片表面氣流邊界層分離，葉片的升力系數(shù)逐漸減小，由于風(fēng)速不斷增大，而葉輪輸出的功率與風(fēng)速的3次方成正比，盡管葉片的升力系數(shù)在減小，但是風(fēng)電機(jī)組的輸出功率卻依然在增加，直至全部葉片進(jìn)入完全失速區(qū)，風(fēng)電機(jī)組的功率才降下來(lái)。

當(dāng)超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，葉片迎角進(jìn)入失速區(qū)，氣動(dòng)阻力變得很大，軸向推力隨著風(fēng)速增加而增加。因此，失速型風(fēng)輪產(chǎn)生的軸向推力，隨著風(fēng)速逐漸增加時(shí)推力會(huì)增加，而且當(dāng)功率恒定或稍微下降時(shí)也會(huì)這樣。失速型機(jī)組的各個(gè)部件與變槳距控制機(jī)組相比所承受的單位載荷要大。葉片失速后，陣風(fēng)對(duì)機(jī)組功率波動(dòng)影響不大，因?yàn)槭俸笊﹄S風(fēng)速的變化不大。所以在這個(gè)范圍內(nèi)產(chǎn)生的功率波動(dòng)變化也不大。

失速控制型風(fēng)輪優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)是：葉片和輪轂之間無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，輪轂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，費(fèi)用低；沒有功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)；在失速后功率的波動(dòng)相對(duì)小。

缺點(diǎn)是：氣動(dòng)剎車系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)和制造要求高；葉片、機(jī)艙和塔筒上的動(dòng)態(tài)載荷高；由于常需要?jiǎng)x車過(guò)程，在葉片和傳動(dòng)系統(tǒng)中產(chǎn)生很高的機(jī)械載荷；啟動(dòng)性差；機(jī)組承受的風(fēng)載荷大；在低空氣密度地區(qū)難于達(dá)到額定功率。

2.2 變槳距控制

變槳距控制是應(yīng)用翼型的升力系數(shù)與氣流迎角的關(guān)系，通過(guò)改變?nèi)~片的槳距角而改變氣流迎角，使翼型升力變化來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。

在低風(fēng)速時(shí)，葉片的迎角越大，以獲得較大的升力和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，隨著風(fēng)速增加到一定時(shí)，開始調(diào)節(jié)槳距角，以增加槳距角使迎角變小，在保持獲得最大功率輸出的同時(shí)防止氣流邊界層脫離葉片表面。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角保持葉輪穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和扭矩，以穩(wěn)定風(fēng)電機(jī)組的功率輸出，變槳距機(jī)組的控制系統(tǒng)通過(guò)葉片和輪轂之間變槳系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)葉片來(lái)調(diào)節(jié)槳距角。

變槳距機(jī)組的葉片在機(jī)組停止時(shí)槳距角為90°。此時(shí)，氣流對(duì)葉片不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，整個(gè)槳葉實(shí)際上是一塊氣流阻尼板。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，槳葉向0°方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到氣流對(duì)槳葉產(chǎn)生一定的迎角，風(fēng)輪獲得足夠的啟動(dòng)力矩開始轉(zhuǎn)動(dòng)。在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，機(jī)組控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速的大小調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，使葉輪盡量運(yùn)行在最佳葉尖速比條件下。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)槳距角，保持機(jī)組輸出功率穩(wěn)定。

變槳距控制風(fēng)輪優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)是：?jiǎn)?dòng)性好；剎車機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，葉輪順槳后風(fēng)輪轉(zhuǎn)速可以逐漸下降；額定點(diǎn)以后的輸出功率平滑；風(fēng)輪葉根承受的靜、動(dòng)載荷小。

缺點(diǎn)是：由于有葉片變槳機(jī)構(gòu)、輪轂比較復(fù)雜，可靠性設(shè)計(jì)要求高，維護(hù)費(fèi)用高；功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)復(fù)雜；

3 實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的影響

事實(shí)上只有通過(guò)變槳原件頻繁工作才能換來(lái)穩(wěn)定的風(fēng)能輸出，對(duì)變槳系統(tǒng)原件產(chǎn)生了較大的壓力，加快了變槳原件老壞、損壞。單臺(tái)風(fēng)機(jī)功率最低只能控制在5000kW，如果電網(wǎng)控制功率仍需對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行手動(dòng)停止，另外在輸入功率控制的數(shù)值后，葉片槳葉開始頻繁的變槳，致使風(fēng)機(jī)報(bào)出變槳電機(jī)過(guò)流、變槳電機(jī)電流不對(duì)稱、變槳電機(jī)溫度高、變槳驅(qū)動(dòng)器故障等，同時(shí)還使得變槳系統(tǒng)接觸器頻繁吸合，加快了老化速度，由于過(guò)快的老化還致使接觸器卡澀導(dǎo)致更嚴(yán)重的變槳電機(jī)與變槳電池?fù)p壞。但是會(huì)不會(huì)是由于不是風(fēng)機(jī)原裝的功率控制系統(tǒng)才對(duì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生這樣的影響呢？其實(shí)不然，還是在內(nèi)蒙的某風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)機(jī)原裝自帶可進(jìn)行功率控制的系統(tǒng)，但是在進(jìn)行功率控制的使用過(guò)程中，風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)仍然是頻繁的進(jìn)行變槳，另外由于電網(wǎng)在要求較低負(fù)荷輸出時(shí)，部分風(fēng)機(jī)會(huì)反復(fù)的啟停，通過(guò)觀察各部件的運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)這樣頻繁的啟停仍然使部件發(fā)生溫升，但不至于風(fēng)機(jī)故障停機(jī)。

4 總結(jié)

風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)集中控制策略協(xié)調(diào)控制所有風(fēng)機(jī)的有功功率，可以有效地為電網(wǎng)提供穩(wěn)定高效的風(fēng)場(chǎng)電能，改善風(fēng)電并網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。但是不能充分考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自身的運(yùn)行情況，這樣會(huì)使得一些發(fā)電企業(yè)發(fā)電成本增高，如何在設(shè)備良性穩(wěn)定的運(yùn)行情況下利用風(fēng)功率系統(tǒng)還需進(jìn)一步的研究。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 楊校生.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與風(fēng)電場(chǎng)工程[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2012（01）.