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1、小型分布式风力发电系统设计及控制技术摘要：本文介绍了在西安世界园艺博览中展示的小型分布式风力发电系统的总体规划和设计。由于风能的能量密度低，具有不稳定性和随机性，故控制技术成为了此类系统安全高效运行的关键。因此本文也专门对该风力发电系统中所使用的控制系统的工作原理、工作模式和运行控制机制进行了介绍。关键字：分布式发电系统； 风力发电； 控制技术The Design and Control Technology of a Miniaturized Distributed Wind Power Generating SystemZhang Xu1, Lv Xin-Liang1, Song Xiao
2、-Lin2, Sha Yu-Heng21. Shaanxi electric power corporation 710048 Xian 2. Shaanxi electric power science research institute 710054 XianAbstract：In this study, we firstly propose the master plan and design of the Small distributed wind power systems which were showed in the 2011 Xian International Hort
3、icultural Exposition. Because of the low energy density, instability and randomness of wind energy, the control technologies have become a key of keeping system to operate safely and effectively. In another part of this study, we focus on the operating principle, mode and operational control of this
4、 wind power control system, and give some further discussion of the mechanism.Key words: Distributed Power Generation System; Wind Power; Control Technology1. 引言长期以来，电力系统向大机组、大电网、高电压的方向发展，进入20世纪八、九十年代，各种分散布置的、小容量的发电技术开始引起人们的关注，加上环境、能源的压力，经过20多年的发展，已经成为能源利用的一种有效方式，成为电力系统的重要组成部分，分布式发电系统融入到现有的电力系统是今后分布
5、式发电的发展趋势。目前我国正处于能源高度消耗的工业化中期，随着经济的发展，工业化和城镇化进程不断加深，人口总量的不断增长，能源需求日趋紧张。2011西安世界园艺博览会是一个向世界展示中国发展可再生能源，充分利用清洁的太阳能和风能，大力发展电动汽车，实现整个城市低碳、绿色运转为目标的绝好展示机会。经国家电网公司批准，陕西省电力公司在西安世界园艺博览会园区建设风光储微网一体化电动汽车充电站、智能电网体验展示中心和世园会保电中心在内的一系列智能电网展示工程，借助西安世界园艺博览会园的窗口，向世界展示中国在智能电网领域发展的新技术和新成果。该展示工程是一个包含分布式风力发电、光伏发电、储能、微电网和电
6、动汽车充电站等多种智能电网要素结合的实际运行系统。在园区适当位置建设一个占地面积为3000m2的中型电动汽车充电站，利用充电站屋顶建设发电峰值容量50kWp的光伏发电系统，沿充电站道路一侧布置安装具有微风启动、轻风发电特点的2kW小型风机6台，形成安装容量为12kW的小型风力发电系统，风力和光伏发电系统均接入充电站微电网供电网络。配置30kW/60kWh磷酸铁锂储能系统和微电网能量管理系统，分别实现风光发电的并离网平滑过渡和微电网能量的实时平衡调度。利用微电网的实时调度与控制实现整个系统的高效、安全运转，并借助世界园艺博览会的窗口起到良好的示范作用和宣传效果，同时也为今后微电网系统研究和建设积
7、累运行数据。本文将对该系统中分布式风力发电系统的相关设计以及控制机制进行介绍。2. 分布式风力发电系统设计2.1 概述风力发电场是指在同一场地上安装几十甚至上百台风力发电机组，并联在一起，通过电子计算机控制共同向电网供电的风能利用方式1。风能是一种能量密度较低、稳定性较差的能源，建立风力发电场的地区，都要针对风源、风强、风频、风速的实际情况进行风场测定，做出风力发电场布局，选择合适的风力发电机型。风力发电机组主要由风轮、发电机、电能变换单元和控制系统组成2，如图 1所示：图1风力发电系统风轮通过叶片捕获风能，是吸收风能并将其转换成机械能的部件。发电机实现机械能-电能转换。由于异步发电机结构简单
8、、运行可靠，目前风力发电几乎均采用异步发电机。发电机所发出的电能有两种处理方式:可以直接给负载供电或并入电网；也可以通过储能设备进行蓄能，再由电能变换单元将储能设备输出的直流电转换成交流电再供给负载或并网。储能设备作为中间环节不仅可以将能量储存起来，还兼有稳定电压的优点，这样对负载供电更平稳，对电网的冲击亦可减小。此外，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统，不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组进行并网、脱网控制，以确保运行过程的安全性和可靠性，而且还要根据风速、风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。以下是本系统的总体设计。2.2 系统的总体规划和设计根据整体规划
9、，在充电站相邻处安排总容量为12kW的风机。西安年平均风速为2.0m/s(全年数据参见表1)，盛行风向为东北风。世界园艺博览会地处地势平坦的郊区，周围无任何遮挡物，并且位于河流旁，因此风速会略高于西安平均风速。平均风速以3.0m/s计，3.020.0m/s有效风能利用小时数在2700小时以上。风速分布如图2所示。表1 西安全年平均风速统计表月份一月二月三月四月五月六月全年风速(m/s)1.72.02.42.42.12.32.0月份七月八月九月十月十一月十二月风速(m/s)2.22.21.71.71.81.6图2 全年风速分布图选择启动风速为2.5m/s的2kW小型风力发电机组，安装数量6台，安
10、装位置设置在充电站口的公路旁或充电站左右两侧，具有极佳的景观示范意义。风机并网发电系统由风力发电机、整流器、刹车装置、风机并网逆变器、计量装置及配电系统等组成，如图3所示。风能通过风力发电机转化为幅值和频率变换的交流电，变换的交流电通过整流器变换为直流电。其再通过并网型逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流，一部分给当地负荷供电，剩余电力馈入电网。图3 风力发电系统构成2.3 风机选型及设计风机采用全永磁交流发电机及机械离心变桨距控制，技术成熟，性能可靠。具有微风启动，轻风发电的特点，选用2kW风力发电机组。表2列出了风机的运行参数。表2 2kW风机参数叶轮数目叶轮直接(m)叶
11、片材质保护方式启动风速(m/s)34增强玻璃钢机械刹车2.5额定风速(m/s)工作风速范围(m/s)额定输出功率塔顶主机重量(kg)发电机型式92.5-252kW130三相交流永磁风机具有以下特点：(1) 桨叶：优选高升阻比翼型，兼顾宽尖速比和降噪进行气动优化设计，经装机运行试验和检测，气动效率高于0.4，噪音低于65db。(2) 采用兆瓦级风力机桨叶专用的胶衣树脂和增强玻璃纤维制品制作的桨叶，结构强度高，能保证在高转速下安全运行。(3) 发电机：采用强磁材料，优级轴承，F极绝缘IP54防护，按免维护技术设计，保证使用寿命30000小时以上，寿命期内无需解体保养。(4) 采用机械离心变桨距机构
12、，风轮不旋转时，桨叶处于易于起动的角度，风速高于3m/s，风轮即转动；49m/s风速下，风轮旋转桨叶受离心锤作用，其角度随转速变化，跟踪在利于加速的高升阻比状态，风轮保持高效率平稳运行；当风速继续增大，风轮转速提高，桨叶在离心锤的作用下，向负角度转变，迫使风轮恢复并维持在额定转速附近运行，最高转速不超过370r/min。(5) 采用下风式对风机构，省略了尾舵。(6) 所有外露机件均采取了长效防腐蚀表面处理，保证风力机在露天使用不锈蚀。风机安装于道路两侧，风机杆塔可采用多棱钢管独立杆塔，特殊防腐，外形美观，牢固，安装方便，占地面积小。2.4 风机卸荷控制器选型及设计风机卸荷控制器是为风机及逆变器
13、配套的整流/卸荷/保护多功能控制设备，其基本结构如图4所示，主要功能有：l 将风机输出的三相交流电整流为直流供后级逆变器输入；l 当风机输出功率过大时，根据外部控制信号（由后级逆变器产生），接入功率连续可调（最大2KW）的卸荷负载，消耗多余能量，在不停机的情况下保护系统；l 当紧急情况发生或维修等其他用户需要的时候，手动闭合刹车开关，风机三相输出短路使得风机停机，保护整个系统。图4 风机卸荷控制器结构图3. 分布式风力发电运行控制技术在风力发电系统中需要解决的基本矛盾是如何在风速变化的情况下，获得较稳定的电压输出，以及如何解决无风时的用电问题3-4。既要考虑到风能的特点，又要考虑到用户的需要，
14、达到实用、可靠、经济的运行效果，关键环节之一就是要有一个稳定、可靠、功能齐全的控制系统。3.1风电机组的控制目标风力机是复杂多变量非线性系统，具有不确定性和多干扰等特点。风力发电控制系统的基本目标分为4个层次：l 保证可靠运行；l 获取最大能量；l 提供优质电力；l 延长机组寿命。控制系统应实现以下功能5：（1）运行风速范围内确保系统稳定运行；（2）低风速时跟踪最优叶尖速比，实现最大风能捕获；（3）高风速时限制风能捕获，保持风力机的额定输出功率；（4）减少阵风引起的转矩峰值变化，减小风轮的机械应力和输出功率波动；（5）减小功率传动链的暂态响应；（6）控制代价小。不同输入信号的幅值应有限制，如桨
15、距角的调节范围和变桨距速率有一定限制；（7）抑制可能引起机械共振的频率；（8）调节机组功率控制电网电压、频率稳定。3.2 风力发电控制系统的设计3.2.1 工作原理分布式风力发电系统由风力发电机、风机并网控制器、卸荷电阻箱、并网逆变电源及配电系统组成。风能通过风力发电机转化为幅值和频率变化的交流电，通过控制器整流为直流电，再经并网逆变电源将直流电转化为与电网同频率、同相位的正弦波交流电，送入微电网母线。风力发电系统具有卸荷功能以及停车功能。3.2.2 工作模式系统有待机、并网发电、故障和停止4种工作模式。在待机模式下，风机并网逆变电源准备并网发电，但是还没有并网发电。此模式下其不断检测风力发电
16、机输出是否有足够的能量并网发电，当达到并网发电条件时逆变电源从待机模式转入并网发电模式。输入电压的直流电压低于设定的启动电压，逆变器工作在待机模式。在并网发电模式下，逆变器将风力发电机输出的电能变换为交流电并入电网，同时逆变电源一直以最大功率点跟踪方式使风力发电输出的能量最大。在故障模式下，当风力发电系统出现故障时，逆变电源会将交流和直流侧的接触器立即断开进入保护程序从而保证系统安全。当故障恢复时，200秒后（直流过压故障恢复后，20秒）检测系统条件是否满足并网发电，检测条件符合后，开始正常发电，否则保持待机模式。在停止模式下，人为控制逆变电源关机，会将交直流侧的接触器与直流源和电网断开。3.
17、2.3 运行控制风机并网逆变器的并网发电过程由系统自动完成，无需人工控制。逆变器会检测交流电网是否满足并网发电条件同时也会检测风力机是否发出足够能量。当直流电压达到启动电压点（可设定，具体值参见表3）时，且电网满足并网条件，逆变器将并网发电。直流电压在启动电压点到额定功率电压点（可设定，具体值参见表3）之间逆变器以最大功率跟踪方式工作。如图5所示，根据所设定的额定功率电压点，逆变器在达到额定功率后的某个点，达到最大功率，此后输出功率不再上升，被限制在最大功率以下。当风能较弱时，直流电压低于启动电压点的持续时间3分钟后，逆变器将进入待机模式，然后不停后重新检测直流电压和电网情况是否满足并网发电条
18、件，一旦满足则重新开始发电。图5 风机逆变器电压功率特性表3 风机逆变器控制参数参数名称范围默认值电网电压上限240V-260V250V电网电压下限180V-200V180V电网频率上限50.5Hz-51.5Hz51Hz电网频率下限47.0Hz-49.5Hz49Hz启动电压点200V-300V230V额定功率电压点301V-380V350V当发生以下情况时，逆变器与电网断开：l 电网阻抗超过1.5l 电网电压超出设定的上下限，具体值参考表5.1，WG3K在0.2s内与电网断开l 电网频率超过设定范围，具体值参考表5.1. WG3K在0.2s内与电网断开出现其它故障4. 结束语风能在转换成电能的
19、过程中只降低了气流速度，没有给大气造成任何污染。因此，风力发电对保护环境和生态平衡、改善能源结构具有重要意义。风力发电技术是涉及空气动力学、自动控制、电机、电力电子、材料学等多学科的综合性高技术系统工程。而控制技术则是风力发电的最关键技术之一，是风力发电机组运行的大脑，是使整个机组实现正常安全运行及实现最佳运行的可靠保证。控制技术的研究对增强我国大型风力发电机组的自主开发能力，提高风力发电机组的国产化率和降低机组成本具有重要意义。由于对风力发电及其控制技术的日益重视，控制技术的研究也取得了较大进展。但相对于国外，我们还存在很大差距, 还有一些领域很少涉足。譬如对系统中储能设备的控制只限于简单的
20、监视和自动充电调整，完全没有自动维护功能。蓄电池组的运行和维护水平成为风力发电推广应用的瓶颈。风力发电技术经过几十年的发展，风力机在机组容量、改进功率调节、变速恒频运行和发电机技术等方面获得了重大进展。随着控制技术的发展以及风电技术的不断成熟和完善，必然会给风力发电带来更好的效益。参考文献：1. 任振伟, 孙强, 张智勇, 孙有伟. 风力发电技术及发展前景J. 山东电力技术, 2006,4:14-16.2. 曾婧婧, 杨平, 徐春梅, 蒋式勤. 风力发电控制系统研究J. 自动化仪表, 2006,27卷增刊: 32-35.3. 邢作霞, 王超, 马佳, 王文静, 姚兴佳. 现代控制技术在风力发电控制系统中的应用J. 风能, 2011, 7: 62-67.4. 刘细平, 林鹤云. 风力发电机及风力发电控制技术综述J. 大电机技术, 2007,3: 17-20. 5. 徐大平，张新房，柳亦兵. 风力发电控制问题综述J. 中国电力, 2005, 38(4): 70-74.
