风力发电系统运行控制技术研究

Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｉｓｉｏｎ　科技视界　科技・探索・争鸣　

风力发电系统运行控制技术研究　

赵海军　

（中广核风电公司内蒙古分公司晌泉风电场，内蒙古锡林郭勒盟０２６０００）　

【摘要】风力发电作为一种清洁的新能源具有重要的意义，风力发电系统的运行控制策略直接关系到风力发电，电力供应的安全性和质　

量的效率。本文对风力，ａ－－ｘ．￣系统的运行控制的两个主要方面，即最大风力跟踪控制和恒功率控制进行了研究和总结。　

【关键词】风力发电系统；最大风能跟踪（ＭＰＰＴ）；恒功率控制　

０引言　

在提倡可持续发展的今天，风能的开发利用具有积极的战略意　

义　特别是在能源供求日趋紧张的情况下．风能作为一种替代能源的　

意义就更加突出　风力发电系统根据运行方式和控制技术的不同可以　

分为恒速恒频系统和变速恒频系统．其中变速恒频风力发电系统能够　更高效地利用风能　

并网型变速恒频风力发电系统一般由风轮、齿轮箱（在直驱方式　中已略去齿轮箱）、发电机和变流设备组成．如图１风力发电系统框国　

所示。风轮的作用是捕捉风能，并将之转化为机械能：发电机则将机械　

能转化为电能：变流设备将发电机发出的频率幅值随风速波动的交流　

电转化为与电网电压同频同幅的交流电．然后馈送至电网　

城轮　发电机　变流设器　‘乜阚　

图１风力发电系统框图　

风力发电系统主要包括２种运行状态：　

１）最大风能追踪状态。当风速低于额定风速时。风轮的转速会随　

着风速的波动而不断变化．以维持最佳叶尖速比及最大风能利用系　

数．从而有效提高风机的输出功率　２）额定功率运行状态．当风速高于额定风速时．通过调节叶片桨　

距角和抑制风轮转速．降低风轮的风能捕获效率．保证风机运行在额　定工作点附近　

可见．风力发电机组的运行控制在不同的运行状态有不同的控制　

策略：　１）最大功率点跟踪控制（ＭＰＰＴ控制）：当实际风速低于额定风速　

时，对风力发电机组进行控制，保证机组运行在最大风能追踪状态下，　

最大限度地捕获风能　

２）恒功率控制：当实际风速高于额定风速时，受机械强度、发电机　容量和变频器容量等限制．必须降低风轮捕获的能量．使功率保持在　

额定值附近　

实际的风电机组常通过电气功率调节和叶片技术２种手段实现　

上述控制目标。前者是通过调节发电机和变流设备的电气功率来改变　风轮的转速．进而间接改变风轮转化风能的效率：后者主要利用叶片　

的空气动力学特性．如变桨距技术和失速状态．来直接改变风轮的捕　风效率。　

下面．本文将对ＭＰＰＴ控制策略和恒功率控制策略的原理及它们　

常用的实现方法进行研究和总结　

１　ＭＰＰＴ控制　

１．１　ＭＰＰＴ控制的原理　

根据贝兹理论．风轮从风能中吸收的功率可以表示为：　

Ｐｒｏ＝０．５　（Ａ，卢）　（１）　式中：Ｐ为空气密度，ｋｇ／ｍ￣；Ｒ为风轮的半径，／Ｔｔ；　为风速，ｍ／ｓ；ｃ　

为风能利用系数．反映了风轮机利用风能的效率．它是叶尖速比　和　

叶片桨距角１３的函数。而叶尖速比为：Ａ　（２）　

式中：ｍ，为风轮机械角速度，ｒａｄ・ｓ　’　

当风力发电系统运行于最大风能追踪状态时，桨距角固定。此时，　Ｇ，的值决定于　对于特定的风力机，其ｃ。一Ａ曲线是一定的　

可见，当　为Ａ　时风力机达到最大风能利用系数　因而称　Ａ　为最佳叶尖速比。由式（２）可知当　为Ａ　时．不同的风速均对应　

一特定的最优转速　

其中，各曲线最优功率点对应的转速即为最优转速ｍ…连接各　

曲线的最优功率点即得风力机最优功率曲线　ＭＰＰＴ控制的原理即．在不同风速下通过调节风力机转速使其始　

终运行于最优转速　以保证最佳叶尖速比．进而保证风力机运行于最　

优功率曲线上．最大限度地捕获风能　１．２　ＭＰＰＴ控制的实现方法　

ＭＰＰＴ控制一般采用电磁功率控制方式．目前最大风能跟踪主要　

有３种控制策略：叶尖速比控制、功率信号反馈法和爬山搜索法。　

１ｌ２．１叶尖速比法　

叶尖速比控制的目的是使风力机的叶尖速比　始终保持在最佳　值Ａ。　上，在任何风速时就可获得最大风能转换效率　它不断测量风　

速和风力机转速，计算出实际叶尖速比．将其同最优叶尖速比相比较．　

将其误差送入控制器．控制器控制逆变器的输出来调节风机转速．从　而保证叶尖速比最优　

该方案能有效根据风速变化及时调整发电机输出功率．控制方法　

简洁清晰，但是需要知道风力机特性和测量风速．风速测量的不准确　性导致系统可靠性降低　

１．２．２功率信号反馈法　

该方案不需要知道确切的风力机特性．也不需要相关的测风装　

置。当风带动风力机转动至发电机发电运行的转速范围内时．根据转　

速以及风力机特征参数计算出给定功率．并与发电机输出功率的观测　值相比较得到误差量。经过ＰＩ调节器（ＰＩ调节器）．就是对偏差乘以一　

个倍数Ｐ，再叠加这个偏差的积分Ｉ作用，利用这个量实施控制．调节　

器输出反馈参数．使系统趋于稳定）给出发电机可控参数值．调节发电　

机输出电流的大小．最终实现发电机输出功率的调节　该方案是基于叶尖速比控制方案的修改提高方案．不同之处在于　

将输出功率与风速之间的关系转换成输出功率与发电机转速之间的　

关系，从而引转速反馈，可使系统工作在最佳功率负载线附近．而且　系统结构更简单、更可靠　

这种方法的缺点是：对于不同的风力机，最大功率曲线需要事先　

通过仿真或试验测得．这增加了率反馈控制难度和实际应用成本　通过控制发电机输出功率来间接控制风力机的输入功率．以实现　

需检测风速的最大功率点跟踪。也有文献将功率信号反馈法与爬山法　

相结合设计了一种混合控制略，克服了功率信号反馈法的缺陷　

２恒功率控制　

２．１恒功率控制的原理　

由１．】节可知，　是叶尖速比　和叶片桨距角８的函数典型　

（Ａ，卢）曲线。　可知：１）当　为恒定值时，增大桨距角Ｂ则　减小（红色虚线所　

示）；２）当　为恒定值时，　偏离最佳叶尖速比Ａ　时，　迅速减小。　

恒功率控制的原理即，当风速高于额定风速时．通过调节叶尖速　比　或桨距角ｐ（或同时调节　和ｐ）以减小Ｇ值，从而减少风力机　

捕获的风能，保证风力机处于额定功率运行状态　

２＿２恒功率控制的实现方法　

额定风速上的恒功率控制的实现方法主要是叶片技术．应用较广　

泛的是定桨距失速控制和变桨距控制　

２．２，１定桨距失速控制　

该控制方式利用桨叶翼型本身的失速特性．在高于额定风速下．　

气流的功角增大到失速条件，使桨叶的表面产生紊（下转第１７２页）　

ｓｃｊｅｎｅｅ＆　ｃｈｎ。　。ｇｙ　Ｖｉｓｉ。ｎ科技视界ｆ

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（３）待底胶指触干燥后，若表面有凸起部分时，要用磨光机或砂纸　５．２．５　自然养护及注意事项　

打磨。　

５．２３修补找平层　（１）若发现粘贴表面有凹陷部位，应用找平胶进行修补。　

（２）待找平胶指触干燥后进入下一道工序　

５．２．４粘贴　

（１）按设计要求的尺寸裁剪碳纤维布。　（２）调配、搅拌粘贴材料粘结剂（使用方法与底胶相同），然后均匀　

涂抹于待粘贴的部位，在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。涂刷　

厚度要比底胶稍厚。严禁出现漏刷现象，特别注意要粘贴碳纤维的边　

缘部位。　（３）粘贴碳纤维布：在确定所粘贴部位无误后，即可将碳纤维布展　

开、拉紧、平铺在涂有浸渍树脂的基面上，再用特制工具反复沿纤维方　

向液压，排除单向布与浸渍树脂间的空气，使单向布完全浸渍于树脂　之中，要做到碳纤维布单向布平、直，中间无空穴、无气泡。　

（４）加固完全固化后即可根据设计要求．涂刷防护及装饰外用面　

漆。　

（５）碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得小于１５０ｍｍ。　检查养护２４小时　

碳纤维布与板底的粘结必须密实，有效粘结面积不得低于９５％：　

当纤维布单个空鼓面积小于ｌＯ００ｍｍｚ时，用针管注胶的方式补救：当　

纤维布单个空鼓面积大于１０００ｍｍ２时，将该处切除，重新搭接粘贴。　（１）每处施工完成后，自然养护２４小时内应确保不受外力硬性冲　

击，不受污染或雨水浸袭。　

（２）施工宜在１５—３５摄氏度环境温度下进行。　

（３）因碳纤维布为导电材料，使用时要注意防火。　

６结语　

粘贴碳纤维布结构加固技术是一种新型的加固技术．进行结构加　

固补强，解决了工程急需的技术难题，通过加固工程实践证明．在加固　

工程中，采用粘贴碳纤维布进行结构加固，工期、质量、造价均得到了　优化，结构受力合理，达到了安全、可靠、经济、适用的目的。所以．碳纤　

维补强加固技术作为一种技术含量高的建筑物补强加固方法．具有很　

高研究，推广价值和社会经济效益。●　

【参考文献】　［１］黄兴棣，田炜．建筑物鉴定加固也曾层改造【Ｍ］．北京：中国建筑出版社，　

２００８，１１．　［２］袁海军，姜红．建筑结构检测鉴定与加固手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版　

社，２００３．１２．　

（上接第１４４页）设备维护费用，提高了设备的综合效率。　

２．２．３严格控制材料费和电费的支出　

首先是材料费的控制．在材料费验收入库时就把好质量关．拒绝　不合格产品入库；在材料发放和使用方面。坚持按需有计划发放．对大　

型材料必须跟踪到现场，了解掌握材料的使用情况。加大修旧利废力　

度，对部分材料进行回收修复再利用，以修理替代更换，做到了物尽所　

用，降低材料消耗，有效的控制了生产成本。其次是电费的控制．严格　按峰平谷用电计划３０：３０：４Ｏ比例进行考核。要求各单位避开电价峰　

段时间组织生产，提高生产效率．节省电费。　２．３质量管理精细化　

洗煤厂始终坚持“用户至上”的企业核心价值．积极应对复杂的市　

场变化，进一步加强煤质管理，建立起了职责明确的质量管理体系．质　

量管理精细化水平得到提升。　２．３．１严格洗煤生产过程各环节质量指标控制，从原煤人厂、洗选加　

工到最后装仓装车，建立生产全过程质量控制体系．做到上道工序必　

须为下道工序负责．使煤质检测工作更加有力指导和服务生产。　２．３－２加强筛选管理，积极采用新工艺、新技术、新设备，提高筛选煤　

质量，稳定选后产品质量。严格按公司和用户的需求，合理组织煤炭生　

产，努力控制商品煤质量的灰分、水分及块煤含矸率、限下率等指标．　做到煤质稳定．满足用户需求。　

２．３．３加强质量监督，严格对“采制化”人员的管理。采样工、制样工、　化验工严格按照国家或行业标准作好煤炭质量的采样、制样和化验工　［责任编辑：丁艳］　

作，每天对分析、备查煤样进行抽查，加大对采制化工作的检查、抽查　

力度，并对各类检测数据“对照性”进行考核，减少检测误差，不断提升　

检测质量，确保检测数据的真实准确。　

３洗煤厂在实施精细化管理中应注意的问题　

实施精细化管理是一项系统工程，企业在推行精细化管理的过程　中还要注意处理好三个关系　

３．１处理好成本控制与质量保障的关系　

质量是企业的命脉。控制成本要以质量保证为前提．要求在控制　成本时质量不能降低，在提高质量时成本不升．通过科学管理、改进工　

艺、达到节约成本的目的。　

３．２处理好成本控制与安全保障的关系　

安全是洗煤厂的天，控制成本要以安全生产为前提，不能为降低　成本而减少安全资金投入。　

３．３处理好成本控制与企业长远发展的关系　成本控制措施要充分考虑长期投入产出比．不能一味降成本．忽　

视洗煤厂发展战略性上的投入　

洗煤厂面对严峻的煤炭市场形势，只有实施精细化管理．提高生产　

效率，提高煤质质量，降低成本，才能保证企业可持续、稳健发展。ｅ