風(fēng)力發(fā)電，所用天然風(fēng)力，屬再生能源，零耗能，且發(fā)電過程中不會對環(huán)境造成污染，沒有排放。風(fēng)能作為清潔的可再生能源，憑借其獨特的優(yōu)勢，在能源的可持續(xù)發(fā)展中扮演重要角色。近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日益成熟，風(fēng)電場的規(guī)模效益突顯，世界各地開始大力建設(shè)大規(guī)模甚至超大規(guī)模的風(fēng)電場。

自21世紀(jì)開始，全球風(fēng)力發(fā)電的總裝機(jī)容量增加了9倍，并且正在迅速鞏固其作為全球能源結(jié)構(gòu)主要組成部分的位置。由于各國政府期望降低對化石燃料的依賴，以及削減二氧化碳的排放的需要，分布范圍廣、豐富、取之不盡、用之不竭以及零燃料成本的風(fēng)力資源正在成為各國越來越具有吸引力的選擇。通過2009年對世界風(fēng)力資源的研究，哈佛大學(xué)科學(xué)家認(rèn)為，二氧化碳排放前10名的國家僅靠風(fēng)能就可以滿足其所有的用電需求。當(dāng)然世界各國將會使用各種技術(shù)滿足未來的能源需求，但是以上觀點卻是沒有質(zhì)疑的：風(fēng)力發(fā)電具有巨大的潛力，它不僅可以取代化石燃料，而且在穩(wěn)定全球氣候方面起著主導(dǎo)作用。

即使面臨著全球經(jīng)濟(jì)衰退的影響，2009年全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)仍然創(chuàng)造了一個新的記錄，總風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到158 000MW。伴隨著31%的跳躍式增長，目前全球風(fēng)力發(fā)電量足夠滿足2.5億人的生活用電需求。世界上有70多個國家使用風(fēng)力發(fā)電，其中17個國家目前有至少1 000MW的裝機(jī)容量。

2009年，中國新增13 000MW裝機(jī)容量，這個驚人的增速處于世界領(lǐng)先位置，也是一個國家首次在一年內(nèi)新增裝機(jī)容量超過10 000MW。中國過去每五年裝機(jī)容量就翻一番，目前以25 000MW的裝機(jī)容量位于世界第三位，僅次于美國和德國。考慮到還有更多的大規(guī)模項目正在規(guī)劃中，中國不可能長期居于世界第三。

一、水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)簡介

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是指風(fēng)輪軸線的安裝位置與水平面平行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)?，F(xiàn)在普遍使用的并網(wǎng)型水平軸風(fēng)力機(jī)如圖1所示。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)按風(fēng)輪的布置有上風(fēng)向和下風(fēng)向之分。上風(fēng)向風(fēng)輪安裝在塔架前面，有利于避免塔架背后塔影效應(yīng)的影響；上風(fēng)向風(fēng)輪需要有調(diào)向裝置以便使風(fēng)平行流過旋轉(zhuǎn)軸的方向。下風(fēng)向風(fēng)輪安裝在塔架的后面，其最大的缺點是葉片通過塔影會造成風(fēng)力波動，引起更大的疲勞載荷。理論上，下風(fēng)向風(fēng)輪可以不安裝調(diào)向裝置，風(fēng)輪和機(jī)艙將被動地隨著風(fēng)向變化而變化。然而，這會引起陀螺載荷，且當(dāng)風(fēng)輪在一個方向上偏航很長時間時，會妨礙電纜的解纜而產(chǎn)生絞纜。目前絕大多數(shù)的風(fēng)力機(jī)采用上風(fēng)向風(fēng)輪。

圖1 3.6MW水平軸異步雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要組成部分：葉輪，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能；傳動系統(tǒng)，將葉輪的轉(zhuǎn)速提升到發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；發(fā)電機(jī)，將葉輪獲得的機(jī)械能再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；偏航系統(tǒng)，使葉輪可靠地迎風(fēng)轉(zhuǎn)動并解纜；其他部件，如塔架、機(jī)艙等。

根據(jù)機(jī)組的風(fēng)輪不同，可分定槳、變槳和主動失速型。驅(qū)動鏈不同可分為：直驅(qū)、半直驅(qū)、傳動主軸加齒輪箱型。發(fā)電機(jī)不同可分為：感應(yīng)發(fā)電機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、異步雙饋發(fā)電機(jī)。

二、控制系統(tǒng)

1.控制策略

風(fēng)力機(jī)的控制策略是一項涉及多個學(xué)科的綜合技術(shù)，涉及到空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、電機(jī)學(xué)、變流器及電網(wǎng)接入系統(tǒng)。它隨著風(fēng)力機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展而不斷創(chuàng)新和優(yōu)化。風(fēng)力機(jī)控制策略主要由安全系統(tǒng)與控制器系統(tǒng)兩大部分組成，它們主要任務(wù)：保證風(fēng)力機(jī)安全可靠運行；獲取最大能量；提供良好的電力質(zhì)量。因此，為了達(dá)到這一控制目標(biāo)， 風(fēng)力機(jī)控制策略從早期的定槳距發(fā)展到變槳距，接著發(fā)展到近年來采用的變槳變速恒頻控制技術(shù)。

早在20世紀(jì)80年代中期，機(jī)組為定槳距定轉(zhuǎn)速風(fēng)力機(jī)， 主要解決了風(fēng)力機(jī)的并網(wǎng)問題和運行的安全性與可靠性問題，采用了軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動力剎車技術(shù)、偏航與自動解纜技術(shù)，這些都是并網(wǎng)運行的風(fēng)力機(jī)需要解決的最基本問題。到了20世紀(jì)90年代后期，風(fēng)力機(jī)的可靠性已不是問題，變槳距風(fēng)力機(jī)開始進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電市場。此種機(jī)組具有良好的起動和氣動剎車性能，并網(wǎng)后可將功率限定在額定范圍。變槳距風(fēng)力機(jī)初期在額定風(fēng)速以下運行時的效果仍不理想，隨著變流器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在額定風(fēng)速以下可以通過變流器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩來控制轉(zhuǎn)速，大大提高了額定風(fēng)速以下運行時的風(fēng)能捕獲。

根據(jù)空氣動力學(xué)原理，風(fēng)能吸收利用的效率與兩個因數(shù)有關(guān)，一個是葉尖速比，它的定義為葉尖線速度與風(fēng)速的比值；另一個是槳距角，它的定義為葉片弦長與旋轉(zhuǎn)平面的夾角。風(fēng)能利用系數(shù)是葉尖速比和槳距角的二元函數(shù)，曲線有點類似開口向下的拋物線，當(dāng)槳距角一定時，對于不同的葉尖速比區(qū)間，存在一個最佳風(fēng)能利用系數(shù)，而對應(yīng)的葉尖數(shù)比稱為最佳葉尖數(shù)比。也正因為這個理論，當(dāng)風(fēng)力機(jī)達(dá)到額定功率以后，可以通過改變槳距角，從而降低風(fēng)能利用系數(shù)，來限定風(fēng)力機(jī)的額定功率。

因此，經(jīng)典的變速變槳風(fēng)力機(jī)控制方法根據(jù)空氣動力學(xué)理論將運行過程分為三個階段進(jìn)行控制，其工作過程如下：

第一階段是起動階段。它指的是風(fēng)力機(jī)從靜止或準(zhǔn)靜止的停止?fàn)顟B(tài)到旋轉(zhuǎn)升速狀態(tài)的一個過程。風(fēng)力機(jī)在停機(jī)狀態(tài)時，風(fēng)力機(jī)槳葉處于順槳位置，角度一般在90。，這個狀態(tài)理論上是不吸收風(fēng)能，但是風(fēng)的擾動還是會引起風(fēng)輪來回擺動或以非常慢的速度轉(zhuǎn)動，一般稱停機(jī)狀態(tài)為靜止或準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)風(fēng)力機(jī)需要進(jìn)入啟動狀態(tài)時，槳葉從順槳位置調(diào)節(jié)至迎風(fēng)位置，角度一般在0。，在這個狀態(tài)，根據(jù)槳葉的空氣動力學(xué)理論，如果風(fēng)速達(dá)到風(fēng)力機(jī)的設(shè)計啟動風(fēng)速，槳葉的升力就會大于阻力，推動風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)，風(fēng)輪開始吸收風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到風(fēng)力機(jī)的并網(wǎng)風(fēng)速時，風(fēng)輪可以慢慢升速到風(fēng)力機(jī)的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速。此時，發(fā)電機(jī)可以通過變流器或其他電力裝置實現(xiàn)并網(wǎng)，風(fēng)力機(jī)開始由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

第二階段是最佳風(fēng)能利用系數(shù)工作階段。風(fēng)力機(jī)并網(wǎng)后，在額定風(fēng)速下運行的一段區(qū)域，這一階段主要通過控制策略實現(xiàn)風(fēng)力機(jī)變轉(zhuǎn)速運行。風(fēng)速是一個隨機(jī)變化的參量，為了保證葉尖速比不變，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速就必須跟隨風(fēng)速變化而變化，這樣才能實現(xiàn)最大限度地獲得能量。由于風(fēng)速的隨機(jī)變化性太大，在額定風(fēng)速以前，目前大多數(shù)跟蹤最佳葉尖速比的控制方法是采用簡單的查表及線性差值計算。數(shù)據(jù)表來源于穩(wěn)態(tài)風(fēng)速工況，根據(jù)設(shè)計的最佳風(fēng)能利用系數(shù)和風(fēng)速區(qū)間計算穩(wěn)態(tài)情況下的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，實際風(fēng)輪轉(zhuǎn)速對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩就通過有限穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行拉格朗日差值計算得到。該控制策略雖不能精確跟蹤最佳葉尖速比，但是能保證其控制在一定的范圍內(nèi)，不會因為控制不好發(fā)散或控制結(jié)果很差。

第三階段是功率限定工作階段。當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速以后，隨著風(fēng)速增大，風(fēng)輪吸收的氣動功率也不斷增大，從而發(fā)電機(jī)的電功率不斷增大。當(dāng)發(fā)電機(jī)的電功率超過設(shè)計額定值以后，如果不對功率進(jìn)行限制，就會出現(xiàn)發(fā)電機(jī)超功率，機(jī)械結(jié)構(gòu)所受的載荷超出安全值，因此需要限定風(fēng)能的吸收。在這個工作階段，可根據(jù)空氣動力學(xué)理論調(diào)節(jié)槳葉來限定風(fēng)能吸收，從而達(dá)到控制發(fā)電機(jī)的電功率控制在額定值左右。當(dāng)出現(xiàn)大風(fēng)速波動的情況，運行發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速超出額定值但小于安全轉(zhuǎn)速，即將瞬間風(fēng)速的增大轉(zhuǎn)換為動能，但是可以通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁扭矩來保證功率額定。

2.控制系統(tǒng)功能

風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)主要功能：運行操作控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、完備的故障保護(hù)機(jī)制、數(shù)據(jù)記錄及日志系統(tǒng)。 運行操作控制，主要為風(fēng)力機(jī)工作的主流程：

圖2 控制系統(tǒng)運行流程

(1)啟動

當(dāng)風(fēng)速檢測系統(tǒng)在一段持續(xù)時間內(nèi)測得風(fēng)速平均值達(dá)到切入風(fēng)速，并且系統(tǒng)自檢無故障時，控制系統(tǒng)發(fā)出釋放制動器命令，機(jī)組由待風(fēng)狀態(tài)進(jìn)入低風(fēng)速起動；

(2)自檢

在自檢測程序模式下，主控制器將變槳系統(tǒng)進(jìn)行測試，主要包括變槳速度、變槳位置以及高速軸剎車檢測。

(3)發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)

釋放高速軸制動，槳葉調(diào)節(jié)到0。，風(fēng)輪開始旋轉(zhuǎn)，風(fēng)輪速度增加。控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速位于并網(wǎng)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，以便向變頻器發(fā)出并網(wǎng)信號。

(4)并網(wǎng)控制

當(dāng)控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速維持在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，向變頻器發(fā)出勵磁指令，變頻器收到勵磁指令之后對發(fā)電機(jī)進(jìn)行勵磁，并且檢查主斷路器或接觸器兩端的電壓和頻率，確認(rèn)符合并網(wǎng)條件后進(jìn)行并網(wǎng)，并且反饋并網(wǎng)信號。收到變頻器發(fā)出的并網(wǎng)確認(rèn)信號后，確認(rèn)該信號并且進(jìn)入發(fā)電模式。

(5)發(fā)電運行

當(dāng)風(fēng)力機(jī)進(jìn)入發(fā)電模式后，槳距角位置和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速設(shè)定值通過計算求得。根據(jù)轉(zhuǎn)矩表向變頻器輸出轉(zhuǎn)矩要求和功率因數(shù)。如果在一定時間內(nèi)出現(xiàn)風(fēng)速小于最低發(fā)電風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于發(fā)電機(jī)最低轉(zhuǎn)速、功率小于零kW，轉(zhuǎn)入停機(jī)狀態(tài)。

(6)停機(jī)

當(dāng)風(fēng)力機(jī)在控制過程中出現(xiàn)故障，則立即進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。按故障等級分停機(jī)速度等級，一般分三級：正常停機(jī)，即槳葉以正常的速度順槳，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于脫網(wǎng)轉(zhuǎn)速以后脫網(wǎng)；快速停機(jī)，即槳葉以較快的速度順槳，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于脫網(wǎng)轉(zhuǎn)速以后脫網(wǎng)；緊急停機(jī)，即槳葉以最大的速度順槳，發(fā)電機(jī)立即脫網(wǎng)。

(7)偏航

當(dāng)風(fēng)向變化后，能夠控制機(jī)組調(diào)向使風(fēng)輪正對風(fēng)的方向，以正面吸收風(fēng)能，提高風(fēng)能吸收的效率。

除了以上控制主流程，風(fēng)力機(jī)還有一套獨立于計算機(jī)控制的安全系統(tǒng)，即使控制系統(tǒng)發(fā)生異常，也不會影響安全鏈的正常動作。安全鏈采用反邏輯設(shè)計，將可能對風(fēng)機(jī)造成致命傷害的重要機(jī)構(gòu)部件的控制端串聯(lián)成一個回路。當(dāng)回路中任意一個觸點發(fā)生故障，安全鏈斷開，引起緊急停機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)失電，風(fēng)機(jī)瞬間脫網(wǎng)，從而最大限度的保證風(fēng)機(jī)的安全。它主要保護(hù)節(jié)點：塔底機(jī)艙緊停按鈕、PLC看門狗、電源故障、超速、振動、變槳系統(tǒng)緊停、偏航扭纜、變流器緊停。

運行狀態(tài)監(jiān)控

電網(wǎng)監(jiān)控，即電網(wǎng)三相電壓、發(fā)電機(jī)輸出的三相電流、電網(wǎng)頻率及發(fā)電機(jī)功率因數(shù)等；氣象監(jiān)控，即風(fēng)速、 風(fēng)向、結(jié)冰、空氣密度等；機(jī)組狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控，即轉(zhuǎn)速 （發(fā)電機(jī)、 風(fēng)輪）、溫度（發(fā)電機(jī)、控制器、軸承、增速器油溫等）、電纜扭轉(zhuǎn)、機(jī)械制動狀況、機(jī)艙振動、油位（潤滑油位、液壓系統(tǒng)油位）；反饋信號監(jiān)控，即松開機(jī)械制動、松開偏航制動器、發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)信號等。

三、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從PLC系統(tǒng)定義來講，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。硬件系統(tǒng)主要由PLC的CPU、IO及通訊模塊組成；軟件系統(tǒng)主要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求編寫的控制策略和控制邏輯。

四、小結(jié)

控制技術(shù)是風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)最關(guān)鍵技術(shù)之一，為風(fēng)力機(jī)運行指揮中心，相當(dāng)于人的“大腦” ，是整個機(jī)組實現(xiàn)可靠安全運行及實現(xiàn)最佳運行的可靠保證。控制技術(shù)的研究對增強(qiáng)我國大型風(fēng)力機(jī)的自主開發(fā)能力，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的國產(chǎn)化率和降低機(jī)組成本具有重要意義。由于風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)得到日益重視，國內(nèi)控制技術(shù)的研究也取得了較大進(jìn)展，不斷地縮小與國外先進(jìn)控制系統(tǒng)的差距，并針對國內(nèi)的風(fēng)場環(huán)境開發(fā)了適合多種工況控制系統(tǒng)，如防低溫、防砂塵和抗臺風(fēng)等控制系統(tǒng)。但是，國內(nèi)控制技術(shù)的可靠性和智能性控制還有待進(jìn)一步優(yōu)化和改善。

雖然風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了將近30年，出現(xiàn)了很多不同的技術(shù)流派，但是都有著一些共同的技術(shù)難點，它也將是未來技術(shù)的發(fā)展方向：

實現(xiàn)更高效地風(fēng)能吸收智能控制，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等；

實現(xiàn)更高效地降低機(jī)組疲勞載荷，如控制風(fēng)輪三個槳葉載荷均衡分布來降低機(jī)組疲勞載荷等；

實現(xiàn)公共電網(wǎng)智能調(diào)度和管理，能夠接受公共電網(wǎng)的調(diào)度和管理命令，同時能夠短時抗擊電網(wǎng)的不穩(wěn)定；

實現(xiàn)發(fā)電預(yù)測，結(jié)合衛(wèi)星氣象預(yù)報數(shù)據(jù)作出發(fā)電量預(yù)測；

實現(xiàn)與其他能源智能互補(bǔ)，如太陽能、海上潮汐、洋流發(fā)電等；

實現(xiàn)各種新技術(shù)的融合，如計算機(jī)通訊、發(fā)電機(jī)、電力電子等新技術(shù)。