風力發(fā)電的調(diào)頻技術(shù)研究綜述

徐明軍

江蘇龍源風力發(fā)電有限公司 江蘇南通 226000

風力發(fā)電是指將風能的動能轉(zhuǎn)化為電能，是一種清潔無污染的發(fā)電方式。現(xiàn)在，風力發(fā)電作為可再生能源之一，越來越受到世界各國的重視。風力發(fā)電依靠大自然的力量向人們供電，沒有燃料問題，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染，已經(jīng)成為研究人員們的重點研究課題。

1 風力發(fā)電調(diào)頻技術(shù)的必要性

（1）風力發(fā)電前景廣闊。由于具有發(fā)電成本相對穩(wěn)定和環(huán)境污染較為輕微的優(yōu)勢，風力發(fā)電的發(fā)展前景是廣闊的。發(fā)電成本接近傳統(tǒng)電力，因此逐漸受到世界各國的重視[1]。

（2）風力發(fā)電技術(shù)完善。功率調(diào)節(jié)是風力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一，隨著風力機從定槳距機組發(fā)展到變槳距變速機組，風力機控制系統(tǒng)采集風速和風向，并傳輸至機組控制系統(tǒng)。機組控制系統(tǒng)通過變槳和變頻系統(tǒng)控制風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速和功率，提高了機組運行的效率和可靠性，提高了年度發(fā)電量和電能質(zhì)量。

2 風力發(fā)電的調(diào)頻技術(shù)

（1）轉(zhuǎn)子慣性控制。當前投產(chǎn)的風力發(fā)電機主要有兩種類型，分別是定速型和變速型。前者在過去的發(fā)展中采用較多，容量較小，隨著技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)不能滿足工作中的要求，已經(jīng)逐漸被淘汰。而變速型的風力發(fā)電機成為應(yīng)用中的主要設(shè)備。變速型風力發(fā)電機主要分為兩種類型，一種是廣泛使用的雙饋型風機，一種則是直驅(qū)型風機，兩者之間的區(qū)別在于后者的轉(zhuǎn)速波動范圍要高于前者。由于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子不直接與電網(wǎng)連接，當電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時，無法按照轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線進行頻率自動調(diào)節(jié)，需要依靠變頻系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)配合進行調(diào)整。轉(zhuǎn)子慣性控制主要由風力發(fā)電機組的整體控制策略和發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械參數(shù)進行調(diào)整。

（2）轉(zhuǎn)子超速控制。在實際的應(yīng)用中，風機的運行轉(zhuǎn)速往往會保留一部分作為備用，這一部分備用的有功功率是用來作為一次頻率調(diào)節(jié)的。對于雙饋型機組，變頻器容量約為機組容量的30%，相應(yīng)的變頻器能夠調(diào)整風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速范圍約為額定轉(zhuǎn)速的±30%。以一臺2對極的發(fā)電機為例，額定轉(zhuǎn)速為1500rpm，實際運行時，轉(zhuǎn)速保持在1050rpm-1950rpm之間。這一范圍內(nèi)，機組變頻系統(tǒng)能夠通過電磁轉(zhuǎn)矩控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速，如果超出這一范圍，就需要通過調(diào)整槳距角，降低或增加吸收的風能，從而保證吸收的機械轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩保持平衡，保證機組的正常運行。由此看出，轉(zhuǎn)子超速控制具有局限性[2]。

（3）變槳控制。通過調(diào)整風力發(fā)電機組的葉片的槳距角對機組運行狀態(tài)進行控制。這一控制的最大優(yōu)點在于能夠通過調(diào)整槳距角，使風力發(fā)電機組始終運行在最大風能利用率下的狀態(tài)。同時，通過調(diào)大槳距角，還能為自身保留一定的備用容量，槳距角越大，可備用的有功功率也就越多，但實際捕獲的風能會呈現(xiàn)出下降的趨勢，通過調(diào)整槳距角大小，可以有效的控制風能的捕獲量，因此槳距角是一項風力發(fā)電機組功率、頻率控制的重要參數(shù)。但是需要注意的是，槳距角調(diào)整不宜過于頻繁，槳距角的變化會導致風力發(fā)電機組吸收的風能發(fā)生變化，影響發(fā)電機轉(zhuǎn)子吸收的機械能，若變頻器控制未能及時響應(yīng)，會導致發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速失控，出現(xiàn)超速或轉(zhuǎn)速迅速下降的情況。

（4）儲能配合頻率控制。由于風力發(fā)電的發(fā)電功率受風速變化影響很大，即使有變槳、變頻系統(tǒng)對風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)進行調(diào)整，風機輸出電能的質(zhì)量相比常規(guī)能源相對較差。而儲能裝置的出現(xiàn)則在一定程度上降低了風機發(fā)電對電網(wǎng)造成的影響。儲能裝置一般以直流蓄電池或超級電容作為后備電源，當機組發(fā)電功率提高時，將一部分電能儲存到儲能裝置，當機組發(fā)電功率降低時，釋放儲能裝置中的電能進行補充，保持母線輸入、輸出功率的平衡[3]。

3 調(diào)頻技術(shù)在風力發(fā)電中的應(yīng)用

（1）轉(zhuǎn)子慣性控制技術(shù)。早期的風力發(fā)電機組大都采用鼠籠式發(fā)電機，它可以為系統(tǒng)提供一定的慣性支持，但是因容量非常小，難以起到很大的作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)公司都采用了變速型的發(fā)電機：一是因為變速型的發(fā)電機控制能力較強，適用范圍非常的廣闊；二是變速型發(fā)電機具有可控變速，在發(fā)電過程中也更為靈活，發(fā)電的效率也會有所提高。

（2）轉(zhuǎn)子超速控制技術(shù)。轉(zhuǎn)子超速控制技術(shù)能夠比轉(zhuǎn)子慣性控制更有效、更全面地控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子超速控制可以通過變槳系統(tǒng)或變頻系統(tǒng)調(diào)整風力發(fā)電機組的狀態(tài)，使機組不再處于最大功率點附近，從而保留部分功率儲備，并可用于頻率調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)子超速控制技術(shù)主要包括控制環(huán)節(jié)的設(shè)計和風機運行方式的改進。通過釋放部分動能來調(diào)節(jié)頻率響應(yīng)，可以大大提高整個機組的發(fā)電能力。雖然轉(zhuǎn)子超速控制具有上述優(yōu)點，但在頻率調(diào)節(jié)過程中存在著控制和操作的盲區(qū)，當風速達到或超過額定值時，機組仍需主動通過槳距角的控制來達到平穩(wěn)的功率。

（3）變槳距控制技術(shù)。近年來投產(chǎn)的風力發(fā)電機組均具備變槳距控制功能，通過槳葉角度的控制來保證發(fā)力發(fā)電機組輸出電能質(zhì)量滿足電網(wǎng)需求。目前的槳葉調(diào)節(jié)技術(shù)主要用于在風力發(fā)電機組啟機過程中提供較大的啟動轉(zhuǎn)矩和在額定風速以上時調(diào)節(jié)葉輪吸收的風能。在大于機組額定風速時，變槳距控制通過調(diào)整葉片的迎風角，改變吸收的機械能，使發(fā)電機的實際工作狀態(tài)低于最大功率點，保留一定的儲備能力。雖然也會因變槳系統(tǒng)故障產(chǎn)生一定的維修費用，但其帶來的效益明顯多于弊端。

（4）儲能配合頻率控制。在大量風機并網(wǎng)運行的今天，風電電能質(zhì)量對電網(wǎng)的沖擊也逐漸增大。為保證風電場接入點電網(wǎng)運行狀態(tài)正常，可在風電場搭配STATCOM或其他無功補償裝置，在主變低壓側(cè)母線上配置超級電容或直流蓄電池，對風力發(fā)電機組的發(fā)電功率、電能質(zhì)量進行調(diào)整。

4 結(jié)語

總之，風力發(fā)電的調(diào)頻技術(shù)的多項優(yōu)勢特點決定了其在實踐中的重要地位，在風電機組的運行管理中應(yīng)該從風力發(fā)電的實際需求出發(fā)，充分利用既有優(yōu)勢，研究制定最佳的調(diào)頻技術(shù)應(yīng)用實施方案。