1 前言

　　隨著煤碳、石油等能源的逐漸枯竭，人類越來越重視可再生能源的利用。而風力發電是可再生能源中最廉價(jia) 、最有希望的能源，並且是一種不汙染環境的“綠色能源”。目前國外數百千瓦級的大型風電機組已經商品化，兆瓦級的風力發電機組也即將商品化。全世界風電裝機總容量已超過1000萬(wan) 千瓦，單位千瓦造價(jia) 為(wei) 1000美元，發電成本為(wei) 5美分/千瓦時，已經具有與(yu) 火力發電相競爭(zheng) 的能力。

　　我國的風能資源豐(feng) 富，理論儲(chu) 量為(wei) 16億(yi) kW，實際可利用2.5億(yi) kW，有巨大的發展潛力。1995年初，國家計委、科委、經貿委聯合發表了《中國新能源和可再生能源發展綱要（1996～2010）》。1996年3月，國家計委又製定了以國產(chan) 化帶動產(chan) 業(ye) 化的風電發展計劃，即有名的“乘風計劃”，為(wei) 我國風力發電技術國產(chan) 化指明了方向，創造了條件。同時，我國也是利用風能資源進行風力發電、風力提水較早的國家，到1996年底，我國小型風力發電機組保有量達15萬(wan) 台，年生產(chan) 能力為(wei) 3萬(wan) 台，均居世界首位。

2 風力發電機組的類型

　　2.1 恒速恒頻與(yu) 變速恒頻

　　在風力發電中，當風力發電機組與(yu) 電網並網時，要求風電的頻率與(yu) 電網的頻率保持一致，即保持頻率恒定。恒速恒頻即在風力發電過程中，保持風車的轉速（也即發電機的轉速）不變，從(cong) 而得到恒頻的電能。在風力發電過程中讓風車的轉速隨風速而變化，而通過其它控製方式來得到恒頻電能的方法稱為(wei) 變速恒頻。

　　2.2 兩(liang) 種類型機組的性能比較

　　由於(yu) 風能與(yu) 風速的三次方成正比，當風速在一定範圍變化時，如果允許風車做變速運動，則能達到更好利用風能的目的。風車將風能轉換成機械能的效率可用輸出功率係數CP來表示，CP在某一確定的風輪周速比λ（槳葉尖速度與(yu) 風速之比）下達到最大值。恒速恒頻機組的風車轉速保持不變，而風速又經常在變化，顯然CP不可能保持在最佳值。變速恒頻機組的特點是風車和發電機的轉速可在很大範圍內(nei) 變化而不影響輸出電能的頻率。由於(yu) 風車的轉速可變，可以通過適當的控製，使風車的周速比處於(yu) 或接近最佳值，從(cong) 而最大限度地利用風能發電。

　　2.3 恒速恒頻機組的特點

　　目前，在風力發電係統中采用最多的異步發電機屬於(yu) 恒速恒頻發電機組。為(wei) 了適應大小風速的要求，一般采用兩(liang) 台不同容量、不同極數的異步發電機，風速低時用小容量發電機發電，風速高時則用大容量發電機發電，同時一般通過變槳距係統改變槳葉的攻角以調整輸出功率。但這也隻能使異步發電機在兩(liang) 個(ge) 風速下具有較佳的輸出係數，無法有效地利用不同風速時的風能。

　　2.4 變速恒頻係統的實現

　　可用於(yu) 風力發電的變速恒頻係統有多種：如交一直一交變頻係統，交流勵磁發電機係統，無刷雙饋電機係統，開關(guan) 磁阻發電機係統，磁場調製發電機係統，同步異步變速恒頻發電機係統等。這種變速恒頻係統有的是通過改造發電機本身結構而實現變速恒頻的;有的則是發電機與(yu) 電力電子裝置、微機控製係統相結合而實現變速恒頻的。它們(men) 各有其特點，適用場合也不一樣。為(wei) 了充分利用不同風速時的風能，應該對各種變速恒頻技術做深入的研究，盡快開發出實用的，適合於(yu) 風力發電的變速恒頻技術。

3恒速恒頻風電機組的控製

　　3.1 風電機組的軟啟動並網

　　在風電機組啟動時，控製係統對風速的變化情況進行不間斷的檢測，當10分鍾平均風速大於(yu) 起動風速時，控製風電機組作好切入電網的一切準備工作：鬆開機械刹車，收回葉尖阻尼板，風輪處於(yu) 迎風方向。控製係統不間斷地檢測各傳(chuan) 感器信號是否正常，如液壓係統壓力是否正常，風向是否偏離，電網參數是否正常等。如10分鍾平均風速仍大於(yu) 起動風速，則檢測風輪是否已開始轉動，並開啟晶閘管限流軟起動裝置快速起動風輪機，並對起動電流進行控製，使其不超過最大限定值。異步風力發電機在起動時，由於(yu) 其轉速很小，切入電網時其轉差率很大，因而會(hui) 產(chan) 生相當於(yu) 發電機額定電流的5～7倍的衝(chong) 擊電流，這個(ge) 電流不僅(jin) 對電網造成很大的衝(chong) 擊，也會(hui) 影響風電機組的壽命。因此在風電機組並網過程中采取限流軟起動技術，以控製起動電流。當發電機達到同步轉速時電流驟然下降，控製器發出指令，將晶閘管旁路。晶閘管旁路後，限流軟起動控製器自動複位，等待下一次起動信號。這個(ge) 起動過程約40S左右，若超過這個(ge) 時間，被認為(wei) 是起動失敗，發電機將被切出電網，控製器根據檢測信號，確定機組是否重新起動。

　　異步風電機組也可在起動時轉速低於(yu) 同步速時不並網，等接近或達到同步速時再切入電網，則可避免衝(chong) 擊電流，也可省掉晶閘管限流軟啟動器。

　　3.2 大小發電機的切換控製

　　在風電機組運行過程中，因風速的變化而引起發電機的輸出功率發生變化時，控製係統應能根據發電機輸出功率的變化對大小發電機進行自動切換，從(cong) 而提高風電機組的效率。具體(ti) 控製方法為(wei) ：

　　（1） 小發電機向大發電機的切換

　　在小發電機並網發電期間，控製係統對其輸出功率進行檢測，若1秒鍾內(nei) 瞬時功率超過小發電機額定功率的20%，或2分鍾內(nei) 的平均功率大於(yu) 某一定值時，則實現小發電機向大發電機的切換。切換過程為(wei) ：首先切除補償(chang) 電容，然後小發電機脫網，等風輪自由轉動到一定速度後，再實現大發電機的軟並網;若在切換過程中風速突然變小，使風輪轉速反而降低的情況下，應再將小發電機軟並網，重新實現小發電機並網運行。

    （2） 大發電機向小發電機的切換

　　檢測大發電機的輸出功率，若2分鍾內(nei) 平均功率小於(yu) 某一設定值（此值應小於(yu) 小發電機的額定功率）時，或50S瞬時功率小於(yu) 另一更小的設定值時，立即切換到小發電機運行。切換過程為(wei) ：切除大發電機的補償(chang) 電容器，脫網，然後小發電機軟並網，計時20S，測量小發電機的轉速，若20S後未達到小發電機的同步轉速，則停機，控製係統複位，重新起動。若20S內(nei) 轉速已達到小發電機旁路轉速則旁路晶閘管軟起動裝置，再根據係統無功功率情況投入補償(chang) 電容器。

　　3.3 變槳距控製方式及其改進

　　風力發電機並網以後，控製係統根據風速的變化，通過槳距調節機構，改變槳葉攻角以調整輸出電功率，更有效地利用風能。在額定風速以下時，此時葉片攻角在零度附近，可認為(wei) 等同於(yu) 定槳距風力發電機，發

　　電機的輸出功率隨風速的變化而變化。當風速達到額定風速以上時，變槳距機構發揮作用，調整葉片的攻角，保證發電機的輸出功率在允許的範圍內(nei) 。

　　但是，由於(yu) 自然界的風力變幻莫測。風速總是處在不斷地變化之中，而風能與(yu) 風速之間成三次方的關(guan) 係，風速的較小變化都將造成風能的較大變化，導致風力發電機的輸出功率處於(yu) 不斷變化的狀態。對於(yu) 變槳距風力發電機，當風速高於(yu) 額定風速後，變槳距機構為(wei) 了限製發電機輸出功率，將調節槳距，以調節輸出功率。如果風速變化幅度大，頻率高，將導致變槳距機構頻繁大幅度動作，使變槳距機構容易損壞;同時，變槳距機構控製的葉片槳距為(wei) 大慣量係統，存在較大的滯後時間，槳距調節的滯後也將造成發電機輸出功率的較大波動，對電網造成一定的不良影響。#p#分頁標題#e#

　　為(wei) 了減小變槳距調節方式對電網的不良影響，可采用一種新的功率輔助調節方式-RCC（Rotor Current Control轉子電流控製）方式來配合變槳距機構，共同完成發電機輸出功率的調節。RCC控製必須使用在線繞式異步發電機上，通過電力電子裝置，控製發電機的轉子電流，使普通異步發電機成為(wei) 可變滑差發電機。RCC控製是一種快速電氣控製方式，用於(yu) 克服風速的快速變化。采用了RCC控製的變槳距風力發電機，變槳距機構主要用於(yu) 風速緩慢上升或下降的情況，通過調整葉片攻角，調節輸出功率；RCC控製單元則應用於(yu) 風速變化較快的情況，當風速突然發生變化時，RCC單元調節發電機的滑差，使發電機的轉速可在一定範圍內(nei) 變化，同時保持轉子電流不變，發電機的輸出功率也就保持不變。

　　3.4 無功補償(chang) 控製

　　由於(yu) 異步發電機要從(cong) 電網吸收無功功率，使風電機組的功率因數降低。並網運行的風力發電機組一般要求其功率因數達到0.99以上，所以必須用電容器組進行無功補償(chang) 。由於(yu) 風速變化的隨機性，在達到額定功率前，發電機的輸出功率大小是隨機變化的，因此對補償(chang) 電容的投入與(yu) 切除需要進行控製。在控製係統中設有四組容量不同的補償(chang) 電容，計算機根據輸出無功功率的變化，控製補償(chang) 電容器分段投入或切除。保證在半功率點的功率因數達到0.99以上。

　　3.5 偏航與(yu) 自動解纜控製

　　偏航控製係統有三個(ge) 主要功能：

　　（1） 正常運行時自動對風。當機艙偏離風向一定角度時，控製係統發出向左或向右調向的指令，機艙開始對風，直到達到允許的誤差範圍內(nei) ，自動對風停止。

　　（2） 繞纜時自動解纜。當機艙向同一方向累計偏轉2.3圈後，若此時風速小於(yu) 風電機組啟動風速且無功率輸出，則停機，控製係統使機艙反方向旋轉2.3圈解繞;若此時機組有功率輸出，則暫不自動解繞;若機艙繼續向同一方向偏轉累計達3圈時，則控製停機，解繞;若因故障自動解繞未成功，在扭纜達4圈時，扭纜機械開關(guan) 將動作，此時報告扭纜故障，自動停機，等待人工解纜操作。

　　（3） 失速保護時偏離風向。當有特大強風發生時，停機，釋放葉尖阻尼板，槳距調到最大，偏航90o背風，以保護風輪免受損壞。

　　3.6 停車控製

　　停機過程分為(wei) 正常停機和緊急停機。

　　（1） 正常停機

　　當控製器發出正常停機指令後，風電機組將按下列程序停機：

　　①切除補償(chang) 電容器;

　　②釋放葉尖阻尼板;

　　③發電機脫網;

　　④測量發電機轉速下降到設定值後，投入機械刹車;

　　⑤若出現刹車故障則收槳，機艙偏航900背風。

　　（2） 緊急故障停機

　　當出現緊急停機故障時，執行如下停機操作：首先切除補償(chang) 電容器，葉尖阻尼板動作，延時0.3秒後卡鉗閘動作。檢測瞬時功率為(wei) 負或發電機轉速小於(yu) 同步速時，發電機解列（脫網），若製動時間超過20S，轉速仍未降到某設定值，則收槳， 機艙偏航900背風。

　　停機如果是由於(yu) 外部原因，例如風速過小或過大，或因電網故障，風電機組停機後將自動處於(yu) 待機狀態;如果是由於(yu) 機組內(nei) 部故障，控製器需要得到已修複指令，才能進入待機狀態。