蘆定雄

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新能源普及的提升，風力發(fā)電成為一種環(huán)保而時尚的方式?；谶@個背景，本文結(jié)合相關(guān)技術(shù)理論，設(shè)計了該項小型風力發(fā)電系統(tǒng)。首先，本文簡要的介紹了小型風力發(fā)電系統(tǒng)的整體構(gòu)成，并細致的介紹了其運作的特點。隨后，本文從應(yīng)用的實際出發(fā)，有針對性的分析了小型風力發(fā)電機控制系統(tǒng)的選擇。綜合上述內(nèi)容，本文也提出了在設(shè)計實踐中風機的核心控制策略，旨在為相關(guān)工作者提供有價值的參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：小型風力發(fā)電系統(tǒng)；設(shè)計；探究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.082

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，“十三五”規(guī)劃的推進，新能源戰(zhàn)略已逐步的深入人心。與太陽能和水能一樣，風能同樣也是干凈的可再生能源。和自然界當中的煤或是石油有所不同，風能不像這些礦物燃料最終會使用殆盡，它是一種取之不完，用之不盡的清潔型能源。通過對風能進行利用，風力發(fā)電將其轉(zhuǎn)變成電能，給廣大用戶提供電力能源。因此，風力發(fā)電系統(tǒng)得到了人們的廣泛的關(guān)注。特別是新能源普及的提升，風力發(fā)電成為一種環(huán)保而時尚的方式更是受到人們的青睞。在此背景下，如何設(shè)計出一套應(yīng)用方便，造價低廉的小型風力發(fā)電系統(tǒng)成為時下較為熱門的話題。

1 當前我國小型風力發(fā)電機的常見技術(shù)種類

從我國當前的小型發(fā)電機的技術(shù)類型來看，主要分為上風向和下風向兩大類別，其中上風向分別包括恒速運行，葉片被動進行失速調(diào)節(jié)，尾翼被動偏航以及變速或者定速運行，機械被動變槳、主動控制偏航接兩個類型。前者的機構(gòu)上比較簡單，對其進行起來比較容易，然而功率的穩(wěn)定性能較低，特別遇到風力較大的狀況就很容易出現(xiàn)破損。后者與前者相比，安全性能相對較高，然而因而使用的是機械被動變槳，所以很難確?？梢暂^長時間的安全可靠運行，同時其功率穩(wěn)定上依然較低。從下風向來來看，包括變速或定速運行，機械被動定槳距或變槳，該類型在安全特性上較好，所需要的成本較低，然而對整機很難進行控制，且對風的精確度不高，對風能的利用率較低。

2 小型風力發(fā)電系統(tǒng)的整體構(gòu)成及優(yōu)勢分析

從結(jié)構(gòu)上來分析，小型風力發(fā)電機的組成部分是一個相互聯(lián)系、相關(guān)制約的系統(tǒng)，具體來說，包括了槳葉，輪轂，變流器，主控制系統(tǒng)，蓄電池，偏航系統(tǒng)，永磁同步發(fā)電機，變槳系統(tǒng)，風速風向儀等各類傳感器以及塔架等部分。通過這樣的構(gòu)架，這類發(fā)電系統(tǒng)具備著與傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備相比的特殊優(yōu)勢：其一，各個部件采用新型材料，實用性強，重量低，強度高，槳葉和輪轂不易破損；其二，電機的偏航程序由偏航調(diào)控裝置來實現(xiàn)主動偏航，這與傳統(tǒng)的偏航系統(tǒng)相比，操作更加便捷，可靠性也更強；其三，突破傳統(tǒng)的勵磁方式，通過稀土永磁裝置完善主發(fā)電機，使其運作效率更高，控制更加便捷。此外，該系統(tǒng)還將工業(yè)控制計算機系統(tǒng)融入其中，使其在運作的過程中更加的靈活；其四，電網(wǎng)控電系統(tǒng)優(yōu)化，當遇到特殊情況時，及時系統(tǒng)的電網(wǎng)突然斷電，蓄電池也能繼續(xù)發(fā)揮其作用，最大限度的保障電機組裝置；其六，設(shè)備靈敏度強，即使在復(fù)雜的環(huán)境之下，超聲波風速風向儀也能在最短的時間內(nèi)地測量出實時風速，并精確的傳達到控制器；最后，偏航系統(tǒng)采用的絕對值編碼器能記錄機船旋轉(zhuǎn)的角度，能預(yù)防機艙朝一個方向旋轉(zhuǎn)過多而造成纜線纏繞。

同時，對于風電機組的整體設(shè)計上，也做了極大的優(yōu)化。例如，在風電機組設(shè)計之初，就將偏航控制裝置、變槳裝置設(shè)計到風電機組的內(nèi)部，并對外殼進行了強化。因此，及時遭遇惡劣天氣，風電機組也不容易受到損壞。與此同時，為了方便操作人員對風電機組進行維護和日常保護，本系統(tǒng)也對機船蓋進行了優(yōu)化的設(shè)計，不僅可以靈活的打開，而且將風向儀裝置在其上方，從而既確保了風電機組的安全性，也保障了風力測量的精準度。更值得注意的是，本系統(tǒng)還額外的設(shè)計了塔架裝置，旨在機組能夠適應(yīng)較高的風速，并通過連線的優(yōu)化，使其信號直接接入主控制器中。

3 小型風力發(fā)電機控制系統(tǒng)的選擇分析

風的隨機性很大，例如風向在不同時刻是不同的，同時風速的變化很大，有時風速很大，有時風速幾乎為零。鑒于風能的不穩(wěn)定性，加大了風力發(fā)電的難度。這給風機的控制系統(tǒng)的設(shè)計造成了不少的難度。同時，風機一般運行在風能資源豐富的邊遠區(qū)域，海島或者海上，而這些地方一般無人值班，因此，風機必須具備無人自動運行的能力或者遠程監(jiān)控運行的能力，這進一步加重了控制系統(tǒng)設(shè)計的難度。

在實際的操作運行過程中可知，此類風電機組也在很大程度上受到高度限制，特別是周圍存在障礙物也會干擾風況。因此，此類風力發(fā)電機是工作在風的斎流區(qū)域，但是無規(guī)律的風況變化也會在一定程度上對風電機組造成一定的破壞，也極大的增加了風電機組的重量負荷。從這個意義上講，該類風電機組的設(shè)計，必須在廣泛調(diào)研實際運作環(huán)境的基礎(chǔ)上，本著可靠性和穩(wěn)定性的原則，完善風電機組的調(diào)控系統(tǒng)，有針對性的解決問題。具體來說，風電機組的調(diào)控系統(tǒng)是整個小型風電機的核心組成部分，是安全性的根本性保障。從傳統(tǒng)的風電機設(shè)計來看，大多風電機都采用了配套研發(fā)的控制器，這類控制器雖然能夠?qū)﹄娏鬏敵隹刂破鸬揭欢ǖ男в?，但實際運作中也容易產(chǎn)生各種各樣的問題。

在新的形勢之下，國外風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)基本都使用集散型或分布式工業(yè)控制計算機，并且在符合自身實際的基礎(chǔ)上，配套有專用模塊來實現(xiàn)各種功能，控制設(shè)計以及程序現(xiàn)場調(diào)試都非常方便。從這個意義上來講，仿照國內(nèi)大型風力發(fā)電機控制系統(tǒng)和國外風力發(fā)電機控制系統(tǒng)，用工業(yè)控制計算機作為小型風力發(fā)電機控制系統(tǒng)的主控制器，分模塊化進行控制，每個模塊都有獨立的控制器或者驅(qū)動設(shè)備，它們和主控制器一起來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。風機控制系統(tǒng)的整體控制框圖如圖1所示。

其中，小型風力發(fā)電機控制系統(tǒng)要實現(xiàn)有效的運作，必須以工控機為核心。具體來說，風電機組的工控機具有檢測風況數(shù)據(jù)，匯總分析數(shù)據(jù)，異常與風險問題研判，控制風電機組模塊系統(tǒng)運行等功能。值得特別注意的是，當遭遇突發(fā)情況，工控機不僅能自行的做出判斷，而且能夠在第一時間內(nèi)啟動保護裝置。對于此類發(fā)電機組而言，其工控機在實際運作中具備以下幾個方面的特點：其一，高工控機能夠在保證安全的前提下，第一時間接受各類傳感器檢測到的實時數(shù)據(jù)，從而掌握風況以及風力發(fā)電機運行狀態(tài)，具體包括風速，風向，主發(fā)電機轉(zhuǎn)速，主發(fā)電機等組件溫度，變流器輸出的有功功率等等。其二，根據(jù)檢測到的風速和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，額定功率以前，通過變流器來控制主發(fā)電機進行最大功率追蹤等等。額定功率以后，控制變槳系統(tǒng)來保持主發(fā)電機額定功率發(fā)電。其三，根據(jù)檢到的風速和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，來控制偏航系統(tǒng)，變槳系統(tǒng)工作。其四，根據(jù)檢測到的風速和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，來控制是否執(zhí)行保護動作，即電動剎車等等。

4 風機核心控制分析

從理論上來分析，風力發(fā)電機的控制有兩個方面的目的：一是對風電機組的運作功率進行調(diào)整，而是在設(shè)備可控范圍內(nèi)，實現(xiàn)最大限度的風能捕捉。這兩個方面功能的實現(xiàn)，是以工控機為核心的。具體來說，風電機組的工控機的主要作用就是將各方面的信號數(shù)據(jù)進行匯總，并通過固定的算法進行準確的數(shù)據(jù)判斷。而具體的運作任務(wù)，則由控制偏航系統(tǒng)，變槳系統(tǒng)和變流器等裝置來負責實施。

具體來說，偏航系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)通過工控機發(fā)出的數(shù)據(jù)信號，調(diào)相應(yīng)的動作，在確保風電機組安全運行的基礎(chǔ)上，最大限度的捕捉風能。對于運作功率調(diào)整的工作而言，則是由風電機組的變流器來實現(xiàn)。從性質(zhì)上來看，功率的調(diào)整主要分為兩個部分，一是最大功率追蹤，二是對機組功率。進一步來說，所謂最大功率追蹤就是在保證一定承受限度之內(nèi)使其最大功率輸出。所謂功率轉(zhuǎn)換就是將主發(fā)電機發(fā)出的電能，整流逆變后送到電網(wǎng)上去，確保發(fā)出高質(zhì)量的電能。綜合上述分析可知，風力發(fā)電機的核心控制策略，就是風電機組的工控機匯總各類數(shù)據(jù)并進行決策，并通過偏航系統(tǒng)，變楽系統(tǒng)以及變流器等裝置來實現(xiàn)目標的過程和方法。

5 結(jié)論與展望

在新能源戰(zhàn)略背景之下，本文簡要的介紹了小型風力發(fā)電系統(tǒng)的整體構(gòu)成，并有針對性的分析了小型風力發(fā)電機控制系統(tǒng)的選擇，也提出了在設(shè)計實踐中風機的核心控制策略，旨在為相關(guān)工作者提供有價值的借鑒。同時值得注意的是，隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，小型風電發(fā)電系統(tǒng)在應(yīng)用中也會不斷的產(chǎn)生一系列新情況與新問題，對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也將面臨新的挑戰(zhàn)。對此，相關(guān)設(shè)計者應(yīng)當從具體的應(yīng)用實際出發(fā)，不斷完善技術(shù)理論，使小型風力發(fā)電機的系統(tǒng)設(shè)計更加的科學(xué)，從而更好的造福于人。

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