风力发电现状及发展趋势

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风力发电机组控制技术研究报告科目：风力发电现状及发展趋势教师：姓名：学号：专业：机械电子工程类别：（）上课时间：2013年9月至2013年12月考生成绩：阅卷评语：阅卷教师(签名) 摘要：1一、绪论1二、控制系统概述3三、变桨控制系统6四，变桨控制系统中的数学基础8五，变桨系统中的控制技术研究9六，总结13参考文献：14 风力发电机组控制技术研究报告——变桨距控制技术摘要：20世纪70年代,在第一次石油危机发生之后,人们开始注意到风力发电,并把它作为一种后备能源来开发。到20世纪末,风能已成为一种最重要的可再生能源。在各国政府对风力发电研究开发的大力支持下,风电已成为当前开发速度最快的可再生能源。根据欧洲风能协会《关于2020年风电达到世界电力总量的12%的蓝图》报告，期望并预测2020年全球风电装机容量将达12．31亿千瓦。中国风能资源丰富，近十年来风电技术快速发展。按照《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006－2020年)》规划，未来15年，全国风力发电装机容量将达到2000万至3000万千瓦，尤其对“可再生能源低成本规模化开发利用”和“超大规模输配电和电网安全保障”提出迫切需求。[1-2]自然界的风力大小，风向等都是在不断变化的。风力发电要解决的一个基本问题就是在风况可变的情况下，实现稳定可靠、高效经济的“风能-机械能-电能”的转化和输送。作为风电系统运转的中枢，机组的控制技术是保证整个机组正常、安全、高效运行的基础。本文首先针对风力发电控制问题，对国内外相关技术研究现状以及发展趋势进行了整理，其次对风力发电机组的控制系统的组成进行了概述，最后对风力发电控制系统中的变浆距控制进行了技术研究分析。正文一、绪论 随着石油、天然气及煤炭等可开采量日益衰减，其价格也不断攀升高升，同时传统能源的使用带来的气候变化也逐渐威胁到人类自身的生存与发展。在能源与环境两大难题困扰人类的严峻形势下，世界能源结构正在孕育着重大的转变,即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。可持续能源包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等。其中风能的发展速度最快也最稳定。其实早在20世纪70年代起，德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰、瑞典、印度、加拿大等国就开始在风力发电技术的研究与应用上投入大量的资源，并发布了很多有利于风力发电企业的国家政策，使得风力发电公司能迅速的发展。其中最具代表性的国家是丹麦。目前丹麦的风电设备制造商是世界上最成功的，典型的代表公司如维斯塔斯，Aluwind,Danfoss和KRWindA/S等。2003年底，丹麦的总风电装机容量是3114MW，风电发电量就已占总发电量的20%。到2020年，丹麦将为能源发展计划投资56亿丹麦克朗(1美元约合5.62丹麦克朗)。届时，风力发电将占丹麦总发电量的50%，可再生能源将满足丹麦36.2%的能源需求。其他的欧美国家也推行了很多有利的政策，使得风电企业能够大力发展，如德国的西门子，美国GE等等。中国自1996年的“乘风计划”起也相继出台了很多有利的政策如：“双加工程”、“国债风电项目”、《可再生能源法》等以及最新的国务院《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》。这些政策促生了一批优秀的风电企业：如明阳，金风，华锐等等。风力发电机组控制系统是整个风力发电机组的大脑，是机组安全可靠运行和实现最佳运行的保证。20世纪80年代初以前，风力发电系统电气控制技术采用的是模拟电子器件。而后随着计算机技术和自动控制技术的迅速发展，基于微处理器的电气控制系统开始崭露头角，不但提高了发电机组的可靠性，同时提高了自动化程度。现在国外的一些风力发电公司如：维斯塔斯、歌美萨、苏司兰等已经开发实现了运行自动控制的机组。其控制系统的智能化程度高，性能及功能越加完善，运行可靠性高，维护及操作简单易行，从而真正高效地实现了风力发电机组的自动监控以及无人值守。国内对风力发电控制系统的研究相对国外较晚。1984年沈阳工业大学风能技术研究所成功研制出国内第一台微机控制风力发电机，其技术先进性不亚于丹麦力推的定桨距失速型风力发电机，开启了国内对风力发电机控制系统的研究。从“八五”、“九五” 开始，国家加大了对风力发电机组电气控制系统的国产化研究。目前国内开发风力发电机组控制器的有北京科诺伟业，南瑞电气等几家，但是只有北京科诺伟业研发成功。然而目前国内的兆瓦级别风力发电控制系统主要还是以进口丹麦MITA和奥地利Windtec为主。所以兆瓦级别的风力发电机组控制系统的开发依然有广阔的市场空间。二、控制系统概述风力发电机按其机械结构可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。垂直轴风力发电机技术发展的较慢一些，因为垂直轴风力发电机对研发生产的技术要求比较高，尤其是对叶片和发电机的要求。近几年垂直轴风力发电机的技术发展很快，尤其小型的垂直轴风力发电机已经很成熟。相对于水平轴风力发电机来说垂直轴风力发电机具有：不需要对风向，转速低，噪音较小，抗风能力强，能在人居住的地方安装等优点，但同时也具有启动风速较高，结构复杂等缺点，目前技术不是很成熟【3】。这些缺点大大制约了垂直风力发电机的应用。所以今天我们提到的风力发电机通常是占市场主流的水平轴风力发电机。大型的水平风力发电机其结构组成包括塔架，风轮，机舱以及控制系统等部件。除去塔架和风轮水平风力发电机结构示意图如图1：图1，水平风力发电机结构示意图（图片来源于网络）风力发电机组控制系统的基本要求有：1，能够根据风速信号自动进行启动、并网或从电网切出。2，根据风向信号自动对风。 3，根据功率因数及输出电功率大小自动进行电容切换补偿。4，脱网时保证机组安全停机。5，运行中对电网、风况和机组状态进行监测、分析与记录，异常情况判断及处理。由于自然风方向的不确定性，所以必须时刻对正风的方向，对大型的风轮在其发电机的机舱转盘底座上安装了调向机构即偏航驱动控制系统。由于风力大小时刻不同，对于具有变桨距功能的变桨距风力发电机需要调整其叶片角度以使得风轮转速达到要求即变桨距控制系统。对于风力发电机发电由于其不稳定性所以需要对其进行变流控制。常见的变流控制有异步感应发电机组系统，同步风力发电机组系统和双馈感应风力发电机组系统。控制系统关系如图2所示：“变桨控制系统”负责空气动力系统的桨距控制，当风速在额定风速以下时，桨叶全开来获得风能保证空气动力效率；超过额定风速时，可以根据控制器指令调整叶片角度，保证机组的输出功率；超过安全风速或紧急情况下，桨叶被旋转到安全位置，实现安全停车。所以“变桨距控制系统”对风能的最大化转换，机组的安全保证以及功率的稳定输出起着至关重要的作用。因此是风力发电机组控制系统中的研究重点之一。“偏航控制系统” 是风力发电机组特有的伺服系统，是风力发电机组电控系统必不可少的重要组成部分。它的功能有两个：一是要控制风轮跟踪变化稳定的风向；二是当风力发电机组由于偏航作用，机舱内引出的电缆发生缠绕时，自动解除缠绕。一般分为主动和被动偏航模式。对大型的风电机组多采用主动偏航模式。其工作过程为先通过风传感器检测风向、风速，并将检测到的风向信号送到微处理器，微处理器计算出风向信号与机舱位置的夹角，从而确定是否需要调整机舱方向以及朝哪个方向调整能尽快对准风向。当需要调整方向时，微处理器发出一定的信号给偏航驱动机构，以调整机舱的方向，达到对准风向的目的。“变流控制系统”通常需要与变桨距系统配合，通过双向变流器对发电机进行矢量或直接转矩控制，独立调节有功功率和无功功率，实现变速横频运行和最大功率控制。交流器的控制方式有很多种：失速型，双馈变速恒频型，直驱型，混合型等。三、变桨控制系统假设螺旋桨在一种不能流动的介质中旋转，那么螺旋桨每转一圈，就会向前进一个距离，连续旋转就形成一段螺旋。同一片桨叶旋转一圈所形成的螺旋的距离，就称为浆距。根据桨距的能否变化可分为定桨距和变桨距型风力发电机。定奖距是指桨叶与轮载的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。由于桨叶节距角的固定，当风速大于额定风速时的功率无法通过桨叶自动失速解决，无法使输出功率更平稳。无法通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使输出功率平稳。并且，风力发电机组在启动时也要通过变距来获得足够的启动转矩。所以风力发电机组的机型发展为可以调节节距角的变桨距风力发电机组。变奖距是指安装在轮载上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调到45°，当转速达到一定时，再调节到0°，直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0° 位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。变桨距风力发电机组采用变桨距风力机和滑差可调的绕线式异步发电机。变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比具有在额定功率点以上输出功率平稳、在额定点具有较高的风能利用系数、启动性能和制动性能良好的特点。变桨距型风力发电机桨链接处的结构图如图3所示：图3桨链接处的结构图（图片来源于网络）变桨控制系统包括三个主要部件，驱动装置－电机，齿轮箱和变桨轴承。从额定功率起，通过控制系统将叶片以精细的变桨角度向顺桨方向转动，实现风机的功率控制。如果一个驱动器发生故障，另两个驱动器可以安全地使风机停机。变桨控制系统是通过改变叶片迎角，实现功率变化来进行调节的。通过在叶片和轮毂之间安装的变桨驱动电机带动回转轴承转动从而改变叶片迎角，由此控制叶片的升力，以达到控制作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的。在90度迎角时是叶片的工作位置。在风力发电机组正常运行时，叶片向小迎角方向变化而达到限制功率。一般变桨角度范围为0～86度。采用变桨矩调节，风机的启动性好、刹车机构简单，叶片顺桨后风轮转速可以逐渐下降、额定点以前的功率输出饱满、额定点以的输出功率平滑、风轮叶根承受的动、静载荷小。变桨系统作为基本制动系统，可以在额定功率范围内对风机速度进行控制。 变桨控制系统有四个主要任务：1，通过调整叶片角把风机的电力速度控制在规定风速之上的一个恒定速度。 2，当安全链被打开时，使用转子作为空气动力制动装置把叶子转回到羽状位置（安全运行）。3，调整叶片角以规定的最低风速从风中获得适当的电力。4，通过衰减风转交互作用引起的震动使风机上的机械载荷极小化。四，变桨控制系统中的数学基础变桨控制系统是为了使风力发电机获得足够高的空气动力效率，这就必然要涉及到基本的空气动力学等知识。由流体力学可得，气流的动能为：（1）式中——气体密度；——气体速度；——气流流过截面积。容易看出，风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流的速度的立方成正比。其中的和随地理位置、海拔、地形等因素而发生改变。风力机的第一个气动理论是由德国的贝兹于1926年建立的即贝茨理论。他假定以下两个条件成立：（1）风轮是理想的，也就是说它没有轮毂，具有无限多的叶片，气流通过风轮时没有阻力；（2）气流经过整个风轮扫掠面时是均匀的，并且气流通过风轮前后的速度位轴向方向。在贝茨理论下流过风机前的风能减去流过风机后的风能就是风机吸收的风能。这样就可以得到风力机的理论效率最大为0.593。风力机的特性系数：（1）风能利用系数风力机从自然风能中吸收能量的大小程度用风能利用率系数表示（2） 式中——风力机实际获得的轴功率，单位W（1）叶尖速比为表示风轮在不同的风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比。（3）式中——风轮的转速，单位为；——风轮角频率，单位为；——风轮半径，单位m；——气体速度。（2）转矩系数。风轮的功率也可以由风轮的转矩与其旋转角速度的乘积来表示即：(4)结合（2）、（3）、（4）得：（5）（6）当风轮半径R固定时，在一定风速下，是反映转矩大小的系数。五，变桨系统中的控制技术研究 目前，国内外风电变桨距控制主要有两种方法，即统一变桨距控制和独立变桨距控制。统一变桨距控制是最先发展起来的变桨距控制方法，目前应用最为成熟。统一变桨距控制是指风力机所有叶片的节距角均同时改变相同的角度。独立变桨距控制是在统一变桨距的基础上发展起来的新型变桨距控制理论和方法。独立变桨距控制是指风力机的每支叶片根据自己的控制规律独立地变化节距角。变桨距控制系统是一个闭环反馈控制系统，一般根据风速与输出功率作为控制量来给出桨距角指令。传统的风力发电机变桨距控制框图如下图4所示。速度控制器的作用是在风力机组的起动阶段和风速低于额定风速的欠功率阶段控制发电机转速，并在欠功率阶段控制转速使叶尖速比保持最佳。而变桨距控制主要发生在风速超过额定后，此时风电机组进入额定功率运行状态，将转速控制切换到功率控制，变桨距系统开始根据功率给定进行变桨调节。控制信号是给定的，即额定功率。功率反馈信号与给定值进行比较，当功率超过额定功率时，桨叶节距角就增大，反之则减小。对快速变化的风速，通过改变节距角来控制输出功率的效果并不理想。为了优化功率曲线，最新的变桨距风电机组在进行功率控制的过程中，其功能反馈信号不在作为直接控制桨叶节距角的变量，变桨距通过风速低频分量和发电机转速控制，风速的高频分量产生的机械能波动，通过快速改变发电机的转速来平衡，即通过转子电流控制对发电机的转差率进行控制。新型变桨距控制框图如下所示。风电机组具有强非线性和较大的转动惯量，导致变桨距系统控制困难。目前国内风电机组大多采用PID控制器完成变桨距控制。PID控制原理如图6所示： 所谓PID控制，就是指根据系统偏差的比例P、积分I、微分D环节，通过线性组合构成控制量对控制对象进行的控制。实际的运行经验和理论分析都表明，PID控制器具有结构简单、稳定性好、可靠性高等优点，因此在变桨距控制系统中使用的比较广泛。由于风速变化的随机性和风电机组的强非线性，PID控制算法并不能取得令人满意的效果。所以大多数的风力发电机采用模糊控制与PID结合的方法。模糊控制是以模糊集合理论、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑规则推理为基础，模拟人的思维和推理方式的一种自动控制理论。模糊控制的特点是，能将操纵者或专家的与控制系统相关的知识和经验，表示成基于语言变量的模糊控制规则，然后利用这些规则去控制未知的或难以建立精确数学模型的系统。模糊控制鲁棒性好，抗干扰能力强，对复杂对象或难以建立精确数学模型的对象具有很好的控制效果。模糊控制与PID控制结合能够很好的克服PID控制的缺点。例如一种模糊前馈与模糊PID结合的新型变桨距控制方法，控制结构图如下图7所示：图7新型变桨距控制系统框图 在模糊PID控制方面，国内的许多专家学者做了很多研究。大量的仿真实验以及实际运用都体现出：在误差存在的情况下模糊PID的控制效果优于单一的模糊控制和单一的PID控制，特别是鲁棒性。模糊PID控制器表现出良好的动态特性和追踪能力，提高了风能转换系统的效率和质量。功率的运行轨迹和桨距角的变化趋势以及在稳定时的最佳功率与理论分析一致，证明了模糊PID控制器的优越性。与统一变桨距控制相比，独立变桨距控制可单独对每个桨叶的桨距角进行独立控制，有使功率输出更加平稳，改善桨叶受力情况等优点。但是具有控制复杂，成本高等缺点。独立变桨距控制将桨叶负载分别由单一的执行机构承担，所以一般都采用电机执行方式，电动机通过主动齿轮带动桨叶轮毂内齿圈，使桨叶节距角发生改变。在整个变桨距过程中，独立桨叶控制方式对应着三个控制变量，即分别对每个桨叶进行单独控制，以及一个独立量发电机的输出功率。在实际应用中，由于风速变化很快，独立变桨距控制如果不恰当，反而会产生振动。因此在设计中又增加了桨叶方位角测量传感器以及叶片振动传感器，控制过程中根据功率反馈信号给出新的所有桨叶的桨距角指令，再由每一桨叶根据自己的方位角和振动传感器信号对各自的桨距角调整。目前的独立桨叶控制技术大体有基于载荷和功率的控制、基于智能控制（模糊控制）等方式。由于独立变桨控制技术的研究时间还比较短，起步较晚。目前仍有很多的问题需要解决，这些问题对于提高风力发电系统的稳定性、可靠性等起到至关重要的作用，对完善风电系统的控制技术及理论具有重要促进作用。其主要问题体现在以下三方面：(1)具有结构相对简单、物理意义明确，又能最大程度地体现风机动力学特性载荷特性的风机非线性模型建立问题。目前采用的风机模型主要有两类，一是线性化模型，该模型或者忽略了风机的动态特性，或者对动力学特性进行了简化；二是由空气动力学非线性模型与专用软件生产的结构的力学线性化模型，该模型一方面输入输出及状态变量非常多，结构复杂，另一方面，模型内部结构透明性低，不利于风机的动态载荷的分析计算，从而影响极端风况下降荷控制策略的有效进行。(2) 同时实现风速与风向实时观测的观测器设计。目前，风况观察主要有两大类，第一是依赖于转子有效风速的观测，并根据该信号作出判别，显然转子有效风速不能全面反映风机各桨叶所承受的实际风况；第二类，尽管考虑了风速风向问题，但其采用的观测器主要依赖于线性化模型或者复杂的非线性化模型，在观测精度速度及计算的复杂度方面都有待进一步提升。所以同时实现风速与风向实时观测的观测器设计是一项艰巨任务。(3)实现降低桨叶及塔架载荷疲劳的风力机独立变桨距优化控制方法问题。新投入的大型风电机组多数运行在变桨距控制方式下，统一变桨距的研究相对比较成熟，虽然统一变桨距控制可以在稳定输出功率的前提下，实现转子过速保护等，但是对于降低处于多维风场中的风机叶片的载荷效果不佳；独立变桨距控制可以弥补以上缺陷但目前独立变桨距控制研究还处于起步阶段，采用的方法大多为基于线性化模型的常规控制方法或单一智能控制方法等，较难实现变化风速对风机动态载荷造成的影响进行全面有效的控制。六，总结风能作为清洁的可再生的绿色能源，己深受世界各国的普遍重视，风力发电技术也越来越成为各国学者的研究热点。我国风电发展较晚，技术水平相对落后，但国家政府对此方面研究十分重视。而风力发电的变桨距控制，很早在风力发电中就有所使用，但由于相关的理论研究不够成熟，风电机组由于变桨距系统而导致事故时有发生，变桨距控制还需要得到更深入的研究。风力发电是涉及空气动力学、自动控制、机械传动、电机学、力学、等多学科的综合性高技术系统工程。目前，风能发电领域的研究热点集中在风电机组大型化、风电机组的先进控制策略及优化技术等方面。由于风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点，所以对风力发电机组尤其是大型机组控制技的深入研究显得越来越重要。本文由本人在查看大量的论文中完成，对变桨距控制没有太过深入的研究，文中参杂有个人的一些看法，如有不对的地方希望老师能够体谅。 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