小型分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制技術(shù)

1、小型分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制技術(shù)摘要：本文介紹了在西安世界園藝博覽中展示的小型分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體規(guī)劃和設(shè)計(jì)。由于風(fēng)能的能量密度低，具有不穩(wěn)定性和隨機(jī)性，故控制技術(shù)成為了此類系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵。因此本文也專門對該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中所使用的控制系統(tǒng)的工作原理、工作模式和運(yùn)行控制機(jī)制進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵字：分布式發(fā)電系統(tǒng)； 風(fēng)力發(fā)電； 控制技術(shù)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. 引言長期以來，電力系統(tǒng)向大機(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓的方向發(fā)展，進(jìn)入20世紀(jì)八、九十年代，各種分散布置的、小容量的發(fā)電技術(shù)開始引起人們的關(guān)注，加上環(huán)境、能源的壓力，經(jīng)過20多年的發(fā)展，已經(jīng)成為能源利用的一種有效方式，成為電力系統(tǒng)的重要組成部分，分布式發(fā)電系統(tǒng)融入到現(xiàn)有的電力系統(tǒng)是今后分布

5、式發(fā)電的發(fā)展趨勢。目前我國正處于能源高度消耗的工業(yè)化中期，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加深，人口總量的不斷增長，能源需求日趨緊張。2011西安世界園藝博覽會是一個(gè)向世界展示中國發(fā)展可再生能源，充分利用清潔的太陽能和風(fēng)能，大力發(fā)展電動汽車，實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市低碳、綠色運(yùn)轉(zhuǎn)為目標(biāo)的絕好展示機(jī)會。經(jīng)國家電網(wǎng)公司批準(zhǔn)，陜西省電力公司在西安世界園藝博覽會園區(qū)建設(shè)風(fēng)光儲微網(wǎng)一體化電動汽車充電站、智能電網(wǎng)體驗(yàn)展示中心和世園會保電中心在內(nèi)的一系列智能電網(wǎng)展示工程，借助西安世界園藝博覽會園的窗口，向世界展示中國在智能電網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)展的新技術(shù)和新成果。該展示工程是一個(gè)包含分布式風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能、微電網(wǎng)和電

6、動汽車充電站等多種智能電網(wǎng)要素結(jié)合的實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)。在園區(qū)適當(dāng)位置建設(shè)一個(gè)占地面積為3000m2的中型電動汽車充電站，利用充電站屋頂建設(shè)發(fā)電峰值容量50kwp的光伏發(fā)電系統(tǒng)，沿充電站道路一側(cè)布置安裝具有微風(fēng)啟動、輕風(fēng)發(fā)電特點(diǎn)的2kw小型風(fēng)機(jī)6臺，形成安裝容量為12kw的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力和光伏發(fā)電系統(tǒng)均接入充電站微電網(wǎng)供電網(wǎng)絡(luò)。配置30kw/60kwh磷酸鐵鋰儲能系統(tǒng)和微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，分別實(shí)現(xiàn)風(fēng)光發(fā)電的并離網(wǎng)平滑過渡和微電網(wǎng)能量的實(shí)時(shí)平衡調(diào)度。利用微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)調(diào)度與控制實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的高效、安全運(yùn)轉(zhuǎn)，并借助世界園藝博覽會的窗口起到良好的示范作用和宣傳效果，同時(shí)也為今后微電網(wǎng)系統(tǒng)研究和建設(shè)積

7、累運(yùn)行數(shù)據(jù)。本文將對該系統(tǒng)中分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)以及控制機(jī)制進(jìn)行介紹。2. 分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 概述風(fēng)力發(fā)電場是指在同一場地上安裝幾十甚至上百臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并聯(lián)在一起，通過電子計(jì)算機(jī)控制共同向電網(wǎng)供電的風(fēng)能利用方式1。風(fēng)能是一種能量密度較低、穩(wěn)定性較差的能源，建立風(fēng)力發(fā)電場的地區(qū)，都要針對風(fēng)源、風(fēng)強(qiáng)、風(fēng)頻、風(fēng)速的實(shí)際情況進(jìn)行風(fēng)場測定，做出風(fēng)力發(fā)電場布局，選擇合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)型。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、電能變換單元和控制系統(tǒng)組成2，如圖 1所示：圖1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)輪通過葉片捕獲風(fēng)能，是吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的部件。發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換。由于異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單

8、、運(yùn)行可靠，目前風(fēng)力發(fā)電幾乎均采用異步發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能有兩種處理方式:可以直接給負(fù)載供電或并入電網(wǎng)；也可以通過儲能設(shè)備進(jìn)行蓄能，再由電能變換單元將儲能設(shè)備輸出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電再供給負(fù)載或并網(wǎng)。儲能設(shè)備作為中間環(huán)節(jié)不僅可以將能量儲存起來，還兼有穩(wěn)定電壓的優(yōu)點(diǎn)，這樣對負(fù)載供電更平穩(wěn)，對電網(wǎng)的沖擊亦可減小。此外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)，不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，對機(jī)組進(jìn)行并網(wǎng)、脫網(wǎng)控制，以確保運(yùn)行過程的安全性和可靠性，而且還要根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向的變化，對機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高機(jī)組的運(yùn)行效率和發(fā)電量。以下是本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。2.2 系統(tǒng)的總體規(guī)劃和設(shè)計(jì)根據(jù)整體規(guī)劃

9、，在充電站相鄰處安排總?cè)萘繛?2kw的風(fēng)機(jī)。西安年平均風(fēng)速為2.0m/s(全年數(shù)據(jù)參見表1)，盛行風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)。世界園藝博覽會地處地勢平坦的郊區(qū)，周圍無任何遮擋物，并且位于河流旁，因此風(fēng)速會略高于西安平均風(fēng)速。平均風(fēng)速以3.0m/s計(jì)，3.020.0m/s有效風(fēng)能利用小時(shí)數(shù)在2700小時(shí)以上。風(fēng)速分布如圖2所示。表1 西安全年平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)表月份一月二月三月四月五月六月全年風(fēng)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風(fēng)速(m/s)2.22.21.71.71.81.6圖2 全年風(fēng)速分布圖選擇啟動風(fēng)速為2.5m/s的2kw小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，安裝數(shù)量6臺，安

10、裝位置設(shè)置在充電站口的公路旁或充電站左右兩側(cè)，具有極佳的景觀示范意義。風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、整流器、剎車裝置、風(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變器、計(jì)量裝置及配電系統(tǒng)等組成，如圖3所示。風(fēng)能通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為幅值和頻率變換的交流電，變換的交流電通過整流器變換為直流電。其再通過并網(wǎng)型逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波電流，一部分給當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電，剩余電力饋入電網(wǎng)。圖3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成2.3 風(fēng)機(jī)選型及設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)采用全永磁交流發(fā)電機(jī)及機(jī)械離心變槳距控制，技術(shù)成熟，性能可靠。具有微風(fēng)啟動，輕風(fēng)發(fā)電的特點(diǎn)，選用2kw風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。表2列出了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。表2 2kw風(fēng)機(jī)參數(shù)葉輪數(shù)目葉輪直接(m)葉

11、片材質(zhì)保護(hù)方式啟動風(fēng)速(m/s)34增強(qiáng)玻璃鋼機(jī)械剎車2.5額定風(fēng)速(m/s)工作風(fēng)速范圍(m/s)額定輸出功率塔頂主機(jī)重量(kg)發(fā)電機(jī)型式92.5-252kw130三相交流永磁風(fēng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：(1) 槳葉：優(yōu)選高升阻比翼型，兼顧寬尖速比和降噪進(jìn)行氣動優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)裝機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)和檢測，氣動效率高于0.4，噪音低于65db。(2) 采用兆瓦級風(fēng)力機(jī)槳葉專用的膠衣樹脂和增強(qiáng)玻璃纖維制品制作的槳葉，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，能保證在高轉(zhuǎn)速下安全運(yùn)行。(3) 發(fā)電機(jī)：采用強(qiáng)磁材料，優(yōu)級軸承，f極絕緣ip54防護(hù)，按免維護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)，保證使用壽命30000小時(shí)以上，壽命期內(nèi)無需解體保養(yǎng)。(4) 采用機(jī)械離心變槳距機(jī)構(gòu)

12、，風(fēng)輪不旋轉(zhuǎn)時(shí)，槳葉處于易于起動的角度，風(fēng)速高于3m/s，風(fēng)輪即轉(zhuǎn)動；49m/s風(fēng)速下，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)槳葉受離心錘作用，其角度隨轉(zhuǎn)速變化，跟蹤在利于加速的高升阻比狀態(tài)，風(fēng)輪保持高效率平穩(wěn)運(yùn)行；當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速提高，槳葉在離心錘的作用下，向負(fù)角度轉(zhuǎn)變，迫使風(fēng)輪恢復(fù)并維持在額定轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行，最高轉(zhuǎn)速不超過370r/min。(5) 采用下風(fēng)式對風(fēng)機(jī)構(gòu)，省略了尾舵。(6) 所有外露機(jī)件均采取了長效防腐蝕表面處理，保證風(fēng)力機(jī)在露天使用不銹蝕。風(fēng)機(jī)安裝于道路兩側(cè)，風(fēng)機(jī)桿塔可采用多棱鋼管獨(dú)立桿塔，特殊防腐，外形美觀，牢固，安裝方便，占地面積小。2.4 風(fēng)機(jī)卸荷控制器選型及設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)卸荷控制器是為風(fēng)機(jī)及逆變器

13、配套的整流/卸荷/保護(hù)多功能控制設(shè)備，其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要功能有：l 將風(fēng)機(jī)輸出的三相交流電整流為直流供后級逆變器輸入；l 當(dāng)風(fēng)機(jī)輸出功率過大時(shí)，根據(jù)外部控制信號（由后級逆變器產(chǎn)生），接入功率連續(xù)可調(diào)（最大2kw）的卸荷負(fù)載，消耗多余能量，在不停機(jī)的情況下保護(hù)系統(tǒng)；l 當(dāng)緊急情況發(fā)生或維修等其他用戶需要的時(shí)候，手動閉合剎車開關(guān)，風(fēng)機(jī)三相輸出短路使得風(fēng)機(jī)停機(jī)，保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。圖4 風(fēng)機(jī)卸荷控制器結(jié)構(gòu)圖3. 分布式風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中需要解決的基本矛盾是如何在風(fēng)速變化的情況下，獲得較穩(wěn)定的電壓輸出，以及如何解決無風(fēng)時(shí)的用電問題3-4。既要考慮到風(fēng)能的特點(diǎn)，又要考慮到用戶的需要，

14、達(dá)到實(shí)用、可靠、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行效果，關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一就是要有一個(gè)穩(wěn)定、可靠、功能齊全的控制系統(tǒng)。3.1風(fēng)電機(jī)組的控制目標(biāo)風(fēng)力機(jī)是復(fù)雜多變量非線性系統(tǒng)，具有不確定性和多干擾等特點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本目標(biāo)分為4個(gè)層次：l 保證可靠運(yùn)行；l 獲取最大能量；l 提供優(yōu)質(zhì)電力；l 延長機(jī)組壽命?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能5：（1）運(yùn)行風(fēng)速范圍內(nèi)確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；（2）低風(fēng)速時(shí)跟蹤最優(yōu)葉尖速比，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；（3）高風(fēng)速時(shí)限制風(fēng)能捕獲，保持風(fēng)力機(jī)的額定輸出功率；（4）減少陣風(fēng)引起的轉(zhuǎn)矩峰值變化，減小風(fēng)輪的機(jī)械應(yīng)力和輸出功率波動；（5）減小功率傳動鏈的暫態(tài)響應(yīng)；（6）控制代價(jià)小。不同輸入信號的幅值應(yīng)有限制，如槳

15、距角的調(diào)節(jié)范圍和變槳距速率有一定限制；（7）抑制可能引起機(jī)械共振的頻率；（8）調(diào)節(jié)機(jī)組功率控制電網(wǎng)電壓、頻率穩(wěn)定。3.2 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.2.1 工作原理分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制器、卸荷電阻箱、并網(wǎng)逆變電源及配電系統(tǒng)組成。風(fēng)能通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為幅值和頻率變化的交流電，通過控制器整流為直流電，再經(jīng)并網(wǎng)逆變電源將直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波交流電，送入微電網(wǎng)母線。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有卸荷功能以及停車功能。3.2.2 工作模式系統(tǒng)有待機(jī)、并網(wǎng)發(fā)電、故障和停止4種工作模式。在待機(jī)模式下，風(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變電源準(zhǔn)備并網(wǎng)發(fā)電，但是還沒有并網(wǎng)發(fā)電。此模式下其不斷檢測風(fēng)力發(fā)電

16、機(jī)輸出是否有足夠的能量并網(wǎng)發(fā)電，當(dāng)達(dá)到并網(wǎng)發(fā)電條件時(shí)逆變電源從待機(jī)模式轉(zhuǎn)入并網(wǎng)發(fā)電模式。輸入電壓的直流電壓低于設(shè)定的啟動電壓，逆變器工作在待機(jī)模式。在并網(wǎng)發(fā)電模式下，逆變器將風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電能變換為交流電并入電網(wǎng)，同時(shí)逆變電源一直以最大功率點(diǎn)跟蹤方式使風(fēng)力發(fā)電輸出的能量最大。在故障模式下，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，逆變電源會將交流和直流側(cè)的接觸器立即斷開進(jìn)入保護(hù)程序從而保證系統(tǒng)安全。當(dāng)故障恢復(fù)時(shí)，200秒后（直流過壓故障恢復(fù)后，20秒）檢測系統(tǒng)條件是否滿足并網(wǎng)發(fā)電，檢測條件符合后，開始正常發(fā)電，否則保持待機(jī)模式。在停止模式下，人為控制逆變電源關(guān)機(jī)，會將交直流側(cè)的接觸器與直流源和電網(wǎng)斷開。3.

17、2.3 運(yùn)行控制風(fēng)機(jī)并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)發(fā)電過程由系統(tǒng)自動完成，無需人工控制。逆變器會檢測交流電網(wǎng)是否滿足并網(wǎng)發(fā)電條件同時(shí)也會檢測風(fēng)力機(jī)是否發(fā)出足夠能量。當(dāng)直流電壓達(dá)到啟動電壓點(diǎn)（可設(shè)定，具體值參見表3）時(shí)，且電網(wǎng)滿足并網(wǎng)條件，逆變器將并網(wǎng)發(fā)電。直流電壓在啟動電壓點(diǎn)到額定功率電壓點(diǎn)（可設(shè)定，具體值參見表3）之間逆變器以最大功率跟蹤方式工作。如圖5所示，根據(jù)所設(shè)定的額定功率電壓點(diǎn)，逆變器在達(dá)到額定功率后的某個(gè)點(diǎn)，達(dá)到最大功率，此后輸出功率不再上升，被限制在最大功率以下。當(dāng)風(fēng)能較弱時(shí)，直流電壓低于啟動電壓點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間3分鐘后，逆變器將進(jìn)入待機(jī)模式，然后不停后重新檢測直流電壓和電網(wǎng)情況是否滿足并網(wǎng)發(fā)電條

18、件，一旦滿足則重新開始發(fā)電。圖5 風(fēng)機(jī)逆變器電壓功率特性表3 風(fēng)機(jī)逆變器控制參數(shù)參數(shù)名稱范圍默認(rèn)值電網(wǎng)電壓上限240v-260v250v電網(wǎng)電壓下限180v-200v180v電網(wǎng)頻率上限50.5hz-51.5hz51hz電網(wǎng)頻率下限47.0hz-49.5hz49hz啟動電壓點(diǎn)200v-300v230v額定功率電壓點(diǎn)301v-380v350v當(dāng)發(fā)生以下情況時(shí)，逆變器與電網(wǎng)斷開：l 電網(wǎng)阻抗超過1.5l 電網(wǎng)電壓超出設(shè)定的上下限，具體值參考表5.1，wg3k在0.2s內(nèi)與電網(wǎng)斷開l 電網(wǎng)頻率超過設(shè)定范圍，具體值參考表5.1. wg3k在0.2s內(nèi)與電網(wǎng)斷開出現(xiàn)其它故障4. 結(jié)束語風(fēng)能在轉(zhuǎn)換成電能的過程中只降低了氣流速度，沒有給大氣造成任何污染。因此，風(fēng)力發(fā)電對保護(hù)環(huán)境和生態(tài)平衡、改善能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是涉及空氣動力學(xué)、自動控制、電機(jī)、電力電子、材料學(xué)等多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。而控制技術(shù)則是風(fēng)力發(fā)電的最關(guān)鍵技術(shù)之一，是風(fēng)力