风能转换系统的现状与趋势

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风能转换系统（WECS）是没有完善发展的电力技术的主流。风能技术仅仅是从25年前才取得重大进步。今天的风力发电机是二十年的技术发展形成的。除了模块化和快速安装，风力发电机看起来越来越像发电站。一个风力发电机的发电量与是二十年前的同等设备的200多倍(欧洲风能协会2005)。但是低功耗WECS并没有因此而失去它的重要性，它仍然是孤岛发电、微电网系统、分布式发电等的研究热点。如今，风能转换系统这项成熟的技术仍然有重要的发展潜力。

    1风能转换系统技术上的问题

    各种风力发电机组的有关概念在过去十年中一直变化。最主要的区别在于电气设计和控制。WECS可以按速度控制和功率控制能力来分类，这就导致风力发电机组的类别有了发电系统（速度控制）和在额定功率之上为了限制气动力效率而引入的方法（功率控制）的区别。

    速度控制标准将WECS分为两种：恒速风力发电机和变速风力发电机；而按功率控制能力WECS分为三类：失速控制风力发电机，变桨距控制控制风力发电机和主动失速控制风力发电机。

    1.1恒速WECS

    恒速风力发电机是风力发电机组行业的先锋。它们简单，可靠、电器零部件成本低。恒速风力发电机利用感应发电机，直接连接到电网。这使得不论风速的大小，为了于电网频率保持一致，电机风轮转速基本上保持恒定。

    1.2变速WECS

    变速风力发电机是目前最常用的WECS。与恒速风力发电机相比，它具有很多优势。首先最重要的是，发电系统与电网频率之间的解耦使得控制和优化运行更加灵活。当然，这是以电力电子变流器的使用为代价的，它们是发电机和电网之间的连接装置。实际上，正是由于电力电子变流器，使得变速操作成为可能。在实现更高的风能普及水平方面，由变速操作提供的高可控性是一个功能强大的优势（Srensen等，2005年;HansenandHansen，2007年）。

    变速操作允许风力发电机在最高气动力效率下不断调整其转速（加速或减速）。设计恒速风力发电机时，是在一种风速下实现最大的气动力效率，而变速风力发电机可以在一个很宽的风速变化范围内实现最大气动力效率。此外，变速运行可以为了实现不同的目标而采用先进的控制策略，例如减少机械应力，减少噪声。

    功率控制能力指的是风力发电机的气动力性能，特别是在功率限制运行范围内。所有的风力发电机都具有某种功率控制功能。

    1.3失速控制WECS

    功率控制最简单的形式是在在高风速下没有改变叶片的几何形状通过利用失速效应而减少气动力效率。随着风速的增加，旋翼气动力“自然”的驱动机舱内的转子转动。这种方法的关键在于叶片轮廓的特殊设计。此设计在额定功率附近提供了摊位效应，而且没有不期望的气动力特性。这一功率控制方法的缺点是：由风力引起了较高的机械应力，随着空气密度和电网频率的变化，协助启动和最大稳态功耗的值并没有变化。

    1.4变桨距控制WECS和主动失速控制WECS

    另一种控制功率的方法是改变桨距角从而改变叶片的几何形状。
; K( X& ], G5 j" g& Q$ O9 x: T这种方法如今被广泛应用，通过修改桨距角从而改变了风速在叶片上的行程，即使叶片对风或侧风。根据叶片改变的方向（对风或侧风）这种方法又分为桨距控制和主动失速控制。控制桨距角的主要优点有：良好的功率控制性能，辅助启动和紧急停车时功耗降低。另外，由于叶片的机械性能和控制系统的要求，此方法增加了成本和复杂性。
    2风力发电机

    在过去十年内，设计风力发电机的目标已经发生了很大的变化。现在的风力发电机已经趋向于大型化，并且从恒速、失速控制、简单的控制系统发展到如今的变速、变桨距控制、带或不带变速箱的驱动机构、高可控性系统。因此，风力发电机已经从传统驱动技术发展到如今的优化驱动技术。

    在欧洲市场上，不同的风力发电机的市场份额如表1.1所示。根据速度控制能力，分为四类风能控制系统（欧洲风能协会2005年）：恒速（一种或两种速度），有限的变速，改进的变速和带有变频器的变速

    在HansenandHansen（2007）中，有一篇完善的市场份额趋势分析。分析表明，恒速风能控制系统由于Kenetech变速操作专利（理查森和厄尔德曼1992）的应用，占了一个非常稳定的市场份额，在美国尤为明显。而有限变速WECS正在逐步退出市场。另一方面，改进的变速WECS如今已经很明显成为市场的主导。改进的变速WECS和带变频器的变速WECS一起，代表着未来的WECS方向。

    大功率WECS技术的发展越来越受到电网连接和电力系统运行的限制。安装的WECS的数量的大幅增长和更为重要的计划增加的风力发电普及水平，使人们越来越关注作为一种常规发电设备的风力发电机的控制能力。WECS不同的组成部分(气动装置,发电机,电力电子装置等)的发展取决于单个元件的控制能力和WECS的整体性能.风力发电机的主流趋势可以归纳如下：对恒速风力发电机的关注将会持续减少,特别是在电网连接要求要求越来越高的今天，目前的恒速风力发电系统技术不能满足这方面的要求；另一方面,在恒速风力发电系统风电场采用高压直流(HVDC)技术可能能满足电网的要求（Hansen等人，2001年）；变速风力发电机将来可能是市场的主导；目前的焦点是在海上和内陆发展大功率发电机（8—10MW）；从控制的角度看，除了优化运行，重点是减少负荷、电网整合、发展风力发电机和风力发电厂使之具备传统火电厂所具有的能力(UpWind2006)。

    3小功率风能控制系统

    由于在绝缘电网和分布式能源生产中的应用，小功率风力发电机也引起了人们的兴趣。并由此产生了微电网的概念。

    小功率WECS被融合在单机发电系统中，也被应用在混合动力系统中。后者中，典型的应用是风光伏发电系统或风力机与耗油系统的结合。它们都使用蓄电池储存电能。

    由于普及率非常高，它的控制问题与风力发电厂中的问题有所不同，它非常依赖于实际中的应用。例如，当用于抽水或暖气加热时，控制目标明显与绝缘电网的确保电能质量标准不同。

    因此，在绝缘电网中的主要问题是风能的调度，而这种调度取决于瞬时用电量和从发电机中存储的电能量（考虑到能源储存）。

除了获得最大功率和可靠性问题，控制的重点在于当地的电力系统稳定性和功率传输情况（波动、谐波等）。
    在某些情况下，混合系统中所包含的发电机共同向一条公共的直流母线供电。这时，问题是全面控制系统以确保电力供应的连续性，同时符合使用要求。后者涉及到系统元件的使用寿命，这些元件决不能受控制行为（例如蓄电池的充放电周期的稳定性，柴油发电机的开关规律等）的影响。

    4结论

    目前在WECS控制中所面临的挑战是，在电能来源——风非常不规律的情况下要确保电能传送有非常高的质量。现代风力发电系统都配有控制和监督子系统来进行监督控制和数据采集(SCADA)。一般来说，有三个低级别的控制系统，在下面将对他们进行简单的介绍。

    变桨控制是一种日趋成熟、并被逐步广泛应用的技术。经典的PI控制和优化控制结构已经在工业应用中得到良好的应用。在变速运行的发电机控制方面，文献提供了众多的控制技术以期在实际中得到应用。但是，这些控制技术当中并没有经典的技术，例如被风力发电机集成器广泛应用。目前还没有建立统一的变速控制策略，并且实际中实际上只是应用了最基本的控制策略。另外，目前正在加紧研究电网的界面控制和输出功率调节，因为电网连接标准一直在不断的改变。控制目标，问题的形成和解决方案都极大的依赖于目前的发电机结构，当地的公共电网，操作体制（即孤岛或联网）等。