風功率控制系統對風機變槳系統的影響

馬慶杰

摘 要：風電是一種具有間歇性、波動性的電源，大規模風電場的建設給電網調度和運行都帶來了挑戰。國家電網公司制定的Q/GDW 392-2009《風電場接入電網技術規定》中指出，風電場應具備有功功率調節能力，能根據電網調度部門指令控制其有功功率輸出。因此，為了實現對有功功率的控制，風電場需配置有功功率控制系統，接收并自動執行調度部門遠方發送的有功功率控制信號，確保風電場最大有功功率值及有功功率變化值不超過電網調度部門的給定值。在電網緊急情況下，風電場應根據電網調度部門的指令控制其輸出的有功功率，并保證風電場有功功率控制系統的快速性和可靠性。必要時，可通過安全自動裝置快速自動切除或降低風電場有功功率，但是在很好地完成調節風機功率輸出的同時，功率控制系統的使用也大大縮短了風機變槳系統部件的使用壽命，在一定程度上增加了風電企業的發電成本，文章對風功率控制系統的使用中有利與弊進行了分析。

關鍵詞：風電；功率控制；風機與電網的影響

中圖分類號： TM315 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）28-186-2

0 引言

現在國內很多風力發電企業均使用了風力控制系統來對風電場功率進行控制，以滿足電網對風功率的要求，同時也方便了風電場的工作，在電網要求控制負荷時不需要進行手動操作那樣頻繁的啟停風機，取而代之的是在風功率控制系統上輸入指定數值，從而達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機變槳系統工作量，是變槳原件頻繁工作變槳換來的。

1 風電場功率控制系統作用

①在風速允許的情況下，風電場控制功率在0到額定容量之間根據設定調節。

②自動調節有功功率：系統能自動控制風電場的有功功率輸出，使總有功功率保持在限定目標值附近，控制誤差平均在±10%以內。

③風電場有功功率自動調節遵循“允許更多風機運行”的控制主策略，采用混合方式進行功率控制，及風機限功率和停機并存的方式，所有風機采用輪停的方式停機，可避免風機長時間的停機，對停機超過限定的時間的機組自動重啟。

④系統可與電網調度中心進行連接，接收遠程調度的控制指令，根據指令手動或自動開啟功率自動控制功能，進行風電場有功功率智能調節。

⑤可設置由于特殊原因不能進行調節操作的機組不停電，也可以根據現場需要優先調控選定的風機。

⑥可以計算風電場的當前的理論有功功率，統計限電條件下的損失功率，并將該值上傳給調度中心。

⑦風速預警：系統可以設定某風速值作為預警風速，當風電場任意一臺機組的瞬時風速超過該值時，系統會以語言或屏幕提示信息的形式進行報警，提醒風電場值班人員引起注意，風電場進入大風狀態。

⑧功率超限預警：當打開系統的功率超限預警功能后，對風電場設定某個限定負荷值，風電場實時的有功負荷一旦超過限定值，系統即以語言或屏幕提示信息的形式進行報警，提醒風電場值班人員引起注意。

⑨風電場功率控制的結構圖：

2 有功功率調節

根據電網的調度指令，在保證風機的使用壽命，減少風機故障的前提下，采用變漿及啟停機的方式對風電場的有功出力進行在線動態調整。

目前主要有兩種調節功率的方法，都是采用空氣動力方法進行調節的，分別是失速調節法、變槳距調節辦法；

2.1 失速控制

失速控制主要是利用氣流流經翼型時，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行的。

失速型風電機組的葉片是以一個固定角度安裝在輪轂上，這個角度稱為安裝角。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展，原來已經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，葉片的升力系數逐漸減小，由于風速不斷增大，而葉輪輸出的功率與風速的3次方成正比，盡管葉片的升力系數在減小，但是風電機組的輸出功率卻依然在增加，直至全部葉片進入完全失速區，風電機組的功率才降下來。

當超過額定風速時，葉片迎角進入失速區，氣動阻力變得很大，軸向推力隨著風速增加而增加。因此，失速型風輪產生的軸向推力，隨著風速逐漸增加時推力會增加，而且當功率恒定或稍微下降時也會這樣。失速型機組的各個部件與變槳距控制機組相比所承受的單位載荷要大。葉片失速后，陣風對機組功率波動影響不大，因為失速后升力隨風速的變化不大。所以在這個范圍內產生的功率波動變化也不大。

失速控制型風輪優缺點如下：

優點是：葉片和輪轂之間無運動部件，輪轂結構簡單，費用低；沒有功率調節系統的維護費；在失速后功率的波動相對小。

缺點是：氣動剎車系統可靠性設計和制造要求高；葉片、機艙和塔筒上的動態載荷高；由于常需要剎車過程，在葉片和傳動系統中產生很高的機械載荷；啟動性差；機組承受的風載荷大；在低空氣密度地區難于達到額定功率。

2.2 變槳距控制

變槳距控制是應用翼型的升力系數與氣流迎角的關系，通過改變葉片的槳距角而改變氣流迎角，使翼型升力變化來進行調節的。

在低風速時，葉片的迎角越大，以獲得較大的升力和轉動力矩，隨著風速增加到一定時，開始調節槳距角，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防止氣流邊界層脫離葉片表面。當風速達到額定風速時，通過調節槳距角保持葉輪穩定的轉速和扭矩，以穩定風電機組的功率輸出，變槳距機組的控制系統通過葉片和輪轂之間變槳系統轉動葉片來調節槳距角。

變槳距機組的葉片在機組停止時槳距角為90°。此時，氣流對葉片不產生轉矩，整個槳葉實際上是一塊氣流阻尼板。當風速達到啟動風速時，槳葉向0°方向轉動，直到氣流對槳葉產生一定的迎角，風輪獲得足夠的啟動力矩開始轉動。在風速低于額定風速時，機組控制系統根據風速的大小調整發電機的轉差率，使葉輪盡量運行在最佳葉尖速比條件下。當風速達到或超過額定風速時，控制系統調節槳距角，保持機組輸出功率穩定。

變槳距控制風輪優缺點如下：

優點是：啟動性好；剎車機構簡單，葉輪順槳后風輪轉速可以逐漸下降；額定點以后的輸出功率平滑；風輪葉根承受的靜、動載荷小。

缺點是：由于有葉片變槳機構、輪轂比較復雜，可靠性設計要求高，維護費用高；功率調節系統復雜；

3 實際應用過程中的影響

事實上只有通過變槳原件頻繁工作才能換來穩定的風能輸出，對變槳系統原件產生了較大的壓力，加快了變槳原件老壞、損壞。單臺風機功率最低只能控制在5000kW，如果電網控制功率仍需對風機進行手動停止，另外在輸入功率控制的數值后，葉片槳葉開始頻繁的變槳，致使風機報出變槳電機過流、變槳電機電流不對稱、變槳電機溫度高、變槳驅動器故障等，同時還使得變槳系統接觸器頻繁吸合，加快了老化速度，由于過快的老化還致使接觸器卡澀導致更嚴重的變槳電機與變槳電池損壞。但是會不會是由于不是風機原裝的功率控制系統才對風機產生這樣的影響呢？其實不然，還是在內蒙的某風電場，風機原裝自帶可進行功率控制的系統，但是在進行功率控制的使用過程中，風機變槳系統仍然是頻繁的進行變槳，另外由于電網在要求較低負荷輸出時，部分風機會反復的啟停，通過觀察各部件的運行情況發現這樣頻繁的啟停仍然使部件發生溫升，但不至于風機故障停機。

4 總結

風電場通過集中控制策略協調控制所有風機的有功功率，可以有效地為電網提供穩定高效的風場電能，改善風電并網的電壓穩定性。但是不能充分考慮風力發電機組自身的運行情況，這樣會使得一些發電企業發電成本增高，如何在設備良性穩定的運行情況下利用風功率系統還需進一步的研究。

參 考 文 獻

[1] 楊校生.風力發電技術與風電場工程[M].化學工業出版社，2012（01）.