小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計探究

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(fēng)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。首先，本文簡要的介紹了小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體構(gòu)成，并細(xì)致的介紹了其運(yùn)作的特點(diǎn)。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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)機(jī)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(fēng)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(jìn)，新能源戰(zhàn)略已逐步的深入人心。與太陽能和水能一樣，風(fēng)能同樣也是干凈的可再生能源。和自然界當(dāng)中的煤或是石油有所不同，風(fēng)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(fēng)能進(jìn)行利用，風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成為時下較為熱門的話題。

1 當(dāng)前我國小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的常見技術(shù)種類

從我國當(dāng)前的小型發(fā)電機(jī)的技術(shù)類型來看，主要分為上風(fēng)向和下風(fēng)向兩大類別，其中上風(fēng)向分別包括恒速運(yùn)行，葉片被動進(jìn)行失速調(diào)節(jié)，尾翼被動偏航以及變速或者定速運(yùn)行，機(jī)械被動變槳、主動控制偏航接兩個類型。前者的機(jī)構(gòu)上比較簡單，對其進(jìn)行起來比較容易，然而功率的穩(wěn)定性能較低，特別遇到風(fēng)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(jī)械被動變槳，所以很難確?？梢暂^長時間的安全可靠運(yùn)行，同時其功率穩(wěn)定上依然較低。從下風(fēng)向來來看，包括變速或定速運(yùn)行，機(jī)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(jī)很難進(jìn)行控制，且對風(fēng)的精確度不高，對風(fēng)能的利用率較低。

2 小型風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)，變槳系統(tǒng)，風(fēng)速風(fēng)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(qiáng)，重量低，強(qiáng)度高，槳葉和輪轂不易破損；其二，電機(jī)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(qiáng)；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(jī)，使其運(yùn)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(jī)系統(tǒng)融入其中，使其在運(yùn)作的過程中更加的靈活；其四，電網(wǎng)控電系統(tǒng)優(yōu)化，當(dāng)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(jī)組裝置；其六，設(shè)備靈敏度強(qiáng)，即使在復(fù)雜的環(huán)境之下，超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀也能在最短的時間內(nèi)地測量出實時風(fēng)速，并精確的傳達(dá)到控制器；最后，偏航系統(tǒng)采用的絕對值編碼器能記錄機(jī)船旋轉(zhuǎn)的角度，能預(yù)防機(jī)艙朝一個方向旋轉(zhuǎn)過多而造成纜線纏繞。

同時，對于風(fēng)電機(jī)組的整體設(shè)計上，也做了極大的優(yōu)化。例如，在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計之初，就將偏航控制裝置、變槳裝置設(shè)計到風(fēng)電機(jī)組的內(nèi)部，并對外殼進(jìn)行了強(qiáng)化。因此，及時遭遇惡劣天氣，風(fēng)電機(jī)組也不容易受到損壞。與此同時，為了方便操作人員對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行維護(hù)和日常保護(hù)，本系統(tǒng)也對機(jī)船蓋進(jìn)行了優(yōu)化的設(shè)計，不僅可以靈活的打開，而且將風(fēng)向儀裝置在其上方，從而既確保了風(fēng)電機(jī)組的安全性，也保障了風(fēng)力測量的精準(zhǔn)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(jī)組能夠適應(yīng)較高的風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的選擇分析

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

在實際的操作運(yùn)行過程中可知，此類風(fēng)電機(jī)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(fēng)況。因此，此類風(fēng)力發(fā)電機(jī)是工作在風(fēng)的斎流區(qū)域，但是無規(guī)律的風(fēng)況變化也會在一定程度上對風(fēng)電機(jī)組造成一定的破壞，也極大的增加了風(fēng)電機(jī)組的重量負(fù)荷。從這個意義上講，該類風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計，必須在廣泛調(diào)研實際運(yùn)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(fēng)電機(jī)組的調(diào)控系統(tǒng)，有針對性的解決問題。具體來說，風(fēng)電機(jī)組的調(diào)控系統(tǒng)是整個小型風(fēng)電機(jī)的核心組成部分，是安全性的根本性保障。從傳統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)設(shè)計來看，大多風(fēng)電機(jī)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茫珜嶋H運(yùn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)，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(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)和國外風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，用工業(yè)控制計算機(jī)作為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的主控制器，分模塊化進(jìn)行控制，每個模塊都有獨(dú)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(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的整體控制框圖如圖1所示。

其中，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)要實現(xiàn)有效的運(yùn)作，必須以工控機(jī)為核心。具體來說，風(fēng)電機(jī)組的工控機(jī)具有檢測風(fēng)況數(shù)據(jù)，匯總分析數(shù)據(jù)，異常與風(fēng)險問題研判，控制風(fēng)電機(jī)組模塊系統(tǒng)運(yùn)行等功能。值得特別注意的是，當(dāng)遭遇突發(fā)情況，工控機(jī)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(hù)裝置。對于此類發(fā)電機(jī)組而言，其工控機(jī)在實際運(yùn)作中具備以下幾個方面的特點(diǎn)：其一，高工控機(jī)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(fēng)況以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，具體包括風(fēng)速，風(fēng)向，主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，主發(fā)電機(jī)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(fēng)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(jī)進(jìn)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(jī)額定功率發(fā)電。其三，根據(jù)檢到的風(fēng)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(fēng)速和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，來控制是否執(zhí)行保護(hù)動作，即電動剎車等等。

4 風(fēng)機(jī)核心控制分析

從理論上來分析，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制有兩個方面的目的：一是對風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)作功率進(jìn)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(fēng)能捕捉。這兩個方面功能的實現(xiàn)，是以工控機(jī)為核心的。具體來說，風(fēng)電機(jī)組的工控機(jī)的主要作用就是將各方面的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并通過固定的算法進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)判斷。而具體的運(yùn)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(fù)責(zé)實施。

具體來說，偏航系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)通過工控機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)信號，調(diào)相應(yīng)的動作，在確保風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，最大限度的捕捉風(fēng)能。對于運(yùn)作功率調(diào)整的工作而言，則是由風(fēng)電機(jī)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(jī)組功率。進(jìn)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(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心控制策略，就是風(fēng)電機(jī)組的工控機(jī)匯總各類數(shù)據(jù)并進(jìn)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(biāo)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的選擇，也提出了在設(shè)計實踐中風(fēng)機(jī)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(fēng)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(dāng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計更加的科學(xué)，從而更好的造福于人。

參考文獻(xiàn)：

[1]范正萍，王心塵，杜華夏，王亞軍.小型家用垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計[J].能源技術(shù)，2007（05）：279-283.

[2]趙強(qiáng)，崔暢.小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正弦波逆變器設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2011（04）：82-84.

[3]邊疆.小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)逆變器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].陰山學(xué)刊（自然科學(xué)），2011（02）：49-51.

[4]江曉林.小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制技術(shù)的研究[D].華北電力大學(xué)（河北），2008.

[5]劉宇.小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究和設(shè)計[D].中南大學(xué)，2013.

[6]張紀(jì)杰.小型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].天津大學(xué)，2012.