2010年我國風能轉換系統的現狀

中國產業信息網訊：

         內容提示：風能轉換系統（WECS）技術成熟，但是低功耗WECS仍然是孤島發電、微電網系統、分布式發電等的研究熱點。風能轉換系統仍然有重要的發展潛力。

         風能轉換系統（WECS）是沒有完善發展的電力技術的主流。風能技術僅僅是從25年前才取得重大進步。今天的風力發電機是二十年的技術發展形成的。除了模塊化和快速安裝，風力發電機看起來越來越像發電站。一個風力發電機的發電量與是二十年前的同等設備的200多倍(歐洲風能協會2005)。但是低功耗WECS并沒有因此而失去它的重要性，它仍然是孤島發電、微電網系統、分布式發電等的研究熱點。如今，風能轉換系統這項成熟的技術仍然有重要的發展潛力。

         1風能轉換系統技術上的問題

         各種風力發電機組的有關概念在過去十年中一直變化。最主要的區別在于電氣設計和控制。WECS可以按速度控制和功率控制能力來分類，這就導致風力發電機組的類別有了發電系統（速度控制）和在額定功率之上為了限制氣動力效率而引入的方法（功率控制）的區別。

         速度控制標準將WECS分為兩種：恒速風力發電機和變速風力發電機；而按功率控制能力WECS分為三類：失速控制風力發電機，變槳距控制控制風力發電機和主動失速控制風力發電機。

         1.1恒速WECS

         恒速風力發電機是風力發電機組行業的先鋒。它們簡單，可靠、電器零部件成本低。恒速風力發電機利用感應發電機，直接連接到電網。這使得不論風速的大小，為了于電網頻率保持一致，電機風輪轉速基本上保持恒定。

         1.2變速WECS

         變速風力發電機是目前最常用的WECS。與恒速風力發電機相比，它具有很多優勢。首先最重要的是，發電系統與電網頻率之間的解耦使得控制和優化運行更加靈活。當然，這是以電力電子變流器的使用為代價的，它們是發電機和電網之間的連接裝置。實際上，正是由于電力電子變流器，使得變速操作成為可能。在實現更高的風能普及水平方面，由變速操作提供的高可控性是一個功能強大的優勢（Srensen等，2005年;HansenandHansen，2007年）。

         變速操作允許風力發電機在最高氣動力效率下不斷調整其轉速（加速或減速）。設計恒速風力發電機時，是在一種風速下實現最大的氣動力效率，而變速風力發電機可以在一個很寬的風速變化范圍內實現最大氣動力效率。此外，變速運行可以為了實現不同的目標而采用先進的控制策略，例如減少機械應力，減少噪聲。

         功率控制能力指的是風力發電機的氣動力性能，特別是在功率限制運行范圍內。所有的風力發電機都具有某種功率控制功能。

         1.3失速控制WECS

         功率控制最簡單的形式是在在高風速下沒有改變葉片的幾何形狀通過利用失速效應而減少氣動力效率。隨著風速的增加，旋翼氣動力“自然”的驅動機艙內的轉子轉動。這種方法的關鍵在于葉片輪廓的特殊設計。此設計在額定功率附近提供了攤位效應，而且沒有不期望的氣動力特性。這一功率控制方法的缺點是：由風力引起了較高的機械應力，隨著空氣密度和電網頻率的變化，協助啟動和最大穩態功耗的值并沒有變化。

         1.4變槳距控制WECS和主動失速控制WECS

另一種控制功率的方法是改變槳距角從而改變葉片的幾何形狀。

         這種方法如今被廣泛應用，通過修改槳距角從而改變了風速在葉片上的行程，即使葉片對風或側風。根據葉片改變的方向（對風或側風）這種方法又分為槳距控制和主動失速控制。控制槳距角的主要優點有：良好的功率控制性能，輔助啟動和緊急停車時功耗降低。另外，由于葉片的機械性能和控制系統的要求，此方法增加了成本和復雜性。

         2小功率風能控制系統

         由于在絕緣電網和分布式能源生產中的應用，小功率風力發電機也引起了人們的興趣。并由此產生了微電網的概念。

         小功率WECS被融合在單機發電系統中，也被應用在混合動力系統中。后者中，典型的應用是風光伏發電系統或風力機與耗油系統的結合。它們都使用蓄電池儲存電能。

         由于普及率非常高，它的控制問題與風力發電廠中的問題有所不同，它非常依賴于實際中的應用。例如，當用于抽水或暖氣加熱時，控制目標明顯與絕緣電網的確保電能質量標準不同。

         因此，在絕緣電網中的主要問題是風能的調度，而這種調度取決于瞬時用電量和從發電機中存儲的電能量（考慮到能源儲存）。除了獲得最大功率和可靠性問題，控制的重點在于當地的電力系統穩定性和功率傳輸情況（波動、諧波等）。

         在某些情況下，混合系統中所包含的發電機共同向一條公共的直流母線供電。這時，問題是全面控制系統以確保電力供應的連續性，同時符合使用要求。后者涉及到系統元件的使用壽命，這些元件決不能受控制行為（例如蓄電池的充放電周期的穩定性，柴油發電機的開關規律等）的影響。

         4結論

         目前在WECS控制中所面臨的挑戰是，在電能來源——風非常不規律的情況下要確保電能傳送有非常高的質量。現代風力發電系統都配有控制和監督子系統來進行監督控制和數據采集(SCADA)。一般來說，有三個低級別的控制系統，在下面將對他們進行簡單的介紹。

         變槳控制是一種日趨成熟、并被逐步廣泛應用的技術。經典的PI控制和優化控制結構已經在工業應用中得到良好的應用。在變速運行的發電機控制方面，文獻提供了眾多的控制技術以期在實際中得到應用。但是，這些控制技術當中并沒有經典的技術，例如被風力發電機集成器廣泛應用。目前還沒有建立統一的變速控制策略，并且實際中實際上只是應用了最基本的控制策略。另外，目前正在加緊研究電網的界面控制和輸出功率調節，因為電網連接標準一直在不斷的改變。控制目標，問題的形成和解決方案都極大的依賴于目前的發電機結構，當地的公共電網，操作體制（即孤島或聯網）等。