【文章內(nèi)容簡介】 點國外的風電機組和變頻器技術起步較早,技術較國內(nèi)先進,風力發(fā)電機單機容量已能生產(chǎn)5MW機組,變頻器容量也做得較大。單機容量為35MW的風力發(fā)電機群,對變頻器的配置方式如圖7所示。在風力發(fā)電場的幾臺發(fā)電機中,每臺電機的電樞繞組輸出端只設置AC/DC整流器,通過直流母線實現(xiàn)所并聯(lián)發(fā)電機的同步變速運行,再由風電場中的公用逆變器把直流母線中的電源轉變成電壓頻率、幅值及相位與電網(wǎng)一致的交流電源進行傳輸,公用逆變器的容量為所有發(fā)電機AC/DC整流器容量總和,可做到4050MW。這種方式的特點是直流母線上的電壓是多臺發(fā)電機整流輸出后得到的,由每臺發(fā)電機間交流輸出電壓的相位不同,相當于3n=24相交流電壓的整流輸出, 紋波系數(shù)特別小,盡管每臺發(fā)電機輸出電壓頻率很低,約為510HZ,也不會損壞母線電壓的波形效果,所以可以取消風力機與發(fā)電機間的增速齒輪箱,由風力機直接驅動發(fā)電機轉子。另外,由于變頻器中整流與逆變部分的分離,提高了風電場的經(jīng)濟整體效益及運行可靠性。圖36 變頻器在“Windformer”系統(tǒng)總的應用為使直流母線上的電壓達到足夠高的程度,除了增大風力機的驅動功率,加大發(fā)電機的單機容量外,在發(fā)電機定子線圈繞制上,是由一整條高壓電纜繞制而成,發(fā)電機輸出電壓可高達12KV以上,從而使逆變器輸出交流電源電壓值足夠高,不需要升壓變壓器就可直接并入當?shù)仉娋W(wǎng)運行。這種方式的風力發(fā)電機群,已在瑞典的Nassudden風力發(fā)電場安裝運行,在風電設備壽命期終了后,有效材料可再生利用。3. 4 風力發(fā)電控制系統(tǒng)3. 4. 1 風力發(fā)電機組的控制目標控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)正常運行控制、參數(shù)監(jiān)控以及安全保護等三大功能。（1） 正常的運行控制包括風力發(fā)電機的自動啟動并網(wǎng)，變槳距，發(fā)電機加熱，自動偏航對風，液壓油泵自動啟停，齒輪油泵自動啟停，自動偏航解纜，自動停機。（2） 參數(shù)監(jiān)控包括電力、風力參數(shù)以及液壓系統(tǒng)狀況，變槳距系統(tǒng)狀態(tài)，偏航系統(tǒng)狀況，監(jiān)測發(fā)電機、變流器運行狀態(tài)和故障情況，收集風機運行數(shù)據(jù)。（3） 安全保護系統(tǒng)是確保運行過程的安全性與可靠性，主要包括機組發(fā)生故障時進行制動保護、獨立于計算機的安全鏈保護、機器本身保護、接地保護以及防雷擊保護等。風力機是復雜多變量非線性系統(tǒng)，具有不確定性和多干擾等特點。風力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本目標分為4個層次：保證可靠運行、獲取最大能量、提供優(yōu)質電力、延長機組壽命?？刂葡到y(tǒng)應實現(xiàn)以下功能：①運行風速范圍內(nèi)確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。②低風速時跟蹤最優(yōu)葉尖速比，實現(xiàn)最大風能捕獲。③高風速時限制風能捕獲，保持風力機的額定輸出功率。④減少陣風引起的轉矩峰值變化，減小風輪的機械應力和輸出功率波動。⑤減小功率傳動鏈的暫態(tài)響應。⑥控制代價小。不同輸入信號的幅值應有限制，如槳距角的調節(jié)范圍和變槳距速率有一定限制。⑦抑制可能引起機械共振的頻率。⑧調節(jié)機組功率，控制電網(wǎng)電壓、頻率穩(wěn)定。3. 4. 2 風力發(fā)電機組的現(xiàn)代控制技術使風力發(fā)電系統(tǒng)的控制器具有較強的魯棒性以及良好的動態(tài)品質,是風力發(fā)電系統(tǒng)研究中一個倍受關注的問題?；Ｗ兘Y構控制系統(tǒng)因其兼具快速響應、對系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感、設計簡單和易于實現(xiàn)等優(yōu)良特性而在電力系統(tǒng)、交流傳動、電力電子技術和風電系統(tǒng)等領域得到了廣泛的應用?；Ｗ兘Y構控制本質上是一種不連續(xù)的開關型控制?；驹O計思想是對于一非線性系統(tǒng),利用高速開關將系統(tǒng)相軌跡引導到一個由設計者所選擇的可到達的曲面上。在滿足匹配的條件下,一旦系統(tǒng)的狀態(tài)向量進入切換面后,就被約束在超曲面的子空間中作“滑?！边\動。此時,系統(tǒng)的動態(tài)品質由切換面的參數(shù)決定,而與系統(tǒng)參數(shù)的攝動、擾動的影響無關,即變結構控制具有對滑模攝動的不變性,這種不變性顯然比魯棒性更進了一步,稱之為完全魯棒性或理想魯棒性。風力發(fā)電機工作于正常和失速2種模態(tài),對感應發(fā)電機系統(tǒng)以功率相對誤差作為切換面,對2種模態(tài)分別采取不同的滑動?？刂平Y構,實現(xiàn)了無差跟蹤和風能最大捕獲。文獻21以力矩為控制信號,采用手積分型滑動?？刂坡?有效地解決了滑動模的切換抖動問題。文獻22通過控制逆變器的導通角,使風機系統(tǒng)能夠跟蹤產(chǎn)生轉矩振蕩的轉速或風速,這樣不僅可以實現(xiàn)最大風能捕獲,而且通過轉速反饋,為轉矩振蕩提供足夠的阻尼轉矩。文獻23將滑動?？刂品椒ㄅc基于無源性的控制方法相結合,通過維持向滑動面牽引的內(nèi)部力的方法,有效地減小了滑動模控制切換抖動。在進行變速運行的雙饋電機風力發(fā)電系統(tǒng)的控制器設計時,需要妥善解決速跟蹤與轉矩平滑之間的關系。應用滑動?？刂品桨缚刂骑L電系統(tǒng)保持最佳葉尖速比運行。其參數(shù)的合理選擇兼顧考慮了轉換效率最優(yōu)和轉矩振蕩消除,并且采用發(fā)電機轉矩反饋削弱共振幅值。文獻24所提到的滑動?？刂苿討B(tài)對電氣變化及參數(shù)的不確定性是完全魯棒的。文獻25以力矩為控制信號,采用積分型滑動?？刂坡?有效地解決了滑動模的切換抖動,該控制方案對不確知的機械摩擦力矩和隨機性變化的空氣動力力矩具有魯棒性。文獻26還提出了一種由同步永磁風力發(fā)電機、可變負載和蓄電池組成的獨立運行風光互補發(fā)電系統(tǒng)的無源滑動?？刂撇呗?。該系統(tǒng)采用降階模型設計控制器,控制率的設計組合了無源性和滑模控制兩種方法,設計結果實現(xiàn)了在風速較小時控制風機實現(xiàn)最大風能捕獲、控制代價小、魯棒性好的控制目標。將滑動模變結構控制應用于風力發(fā)電系統(tǒng)中的主要研究應用方向是結合其它控制技術如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、自適應控制以及無源性控制、智能控制等先進控制方法的混合控制。1. 2 H∞控制H∞魯棒控制可直接解決具有建模誤差、參數(shù)不確定和干擾未知系統(tǒng)的控制問題。H∞算法具有較好的直觀性及嚴格的數(shù)學基礎。此外,H∞控制經(jīng)較簡單的運算便可使系統(tǒng)具有良好的性能。在H∞控制的應用上,目前主要還是線性系統(tǒng)及仿射非線性系統(tǒng)。H∞魯棒控制在研究具有強魯棒性的穩(wěn)定控制中占有重要地位,已成為控制論中一個重要分支。H∞魯棒控制在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用并不多。針對一個具有不確定模型的變速變槳距的風力發(fā)電系統(tǒng)文獻27提出了一種魯棒控制設計方法,將包含線性空氣特性、變漿距控制機構和柔性傳動鏈動態(tài)的風力發(fā)電系統(tǒng)線性化處理,估計出仍存在的非線性項的上界,將其作為不確定項處理,采用線性H∞控制,實現(xiàn)了風力發(fā)電系統(tǒng)在有建模不確定性條件下的最大風能捕獲。文獻28研究了風柴混合發(fā)電系統(tǒng)的2 類魯棒控制策略:由LTR 回路傳函恢復設計方法實現(xiàn)的LQG線性二次高斯魯棒最優(yōu)控制器。以忽略驅動鏈快動態(tài)及感應電機電氣動態(tài)的非線性降階模型為基礎的反饋線性化PI方法和解耦控制,同時比較研究了單環(huán)PI 控制器?？刂颇繕耸鞘癸L電部分盡可能發(fā)出最大功率,柴油機組作為補償,維持功率平衡及供電電壓、頻率恒定。仿真結果表明了魯棒控制的優(yōu)越性。文獻29將H∞魯棒控制方法用于設計失速調節(jié)的變速風能轉換系統(tǒng)的控制中,系統(tǒng)通過靜止功率變換器與無窮大電網(wǎng)相聯(lián),控制目的是為了在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎上獲得風能最大轉換效率,并同時降低由于風速波動和轉矩脈動所引起的有害動態(tài)負載、機械應力。采用環(huán)路整形的概念,選擇權函數(shù)。通過單位階躍風速的動態(tài)仿真驗證了所提控制系統(tǒng)的可行性。由于風力發(fā)電系統(tǒng)的復雜性,由各環(huán)節(jié)的機理模型構成的整機機理模型與實際相差甚遠,準確的建模應在不同風況下進行。為此,文獻30利用系統(tǒng)辨識的方法分析了水平軸風力機的非最小相位模型,將風速分解為2個分量:可歸入名義模型的平均分量和歸入模型的非結構性不確定部分的脈動分量,并在此基礎上設計相應H∞魯棒控制器,通過直接設計控制器傳遞函數(shù),滿足魯棒穩(wěn)定條件和運行性能。該方法考慮了在線控制器對脈動風速系統(tǒng)建模的實際,為風力機建模和魯棒控制提供了一種新方法。1. 3 智能控制風電系統(tǒng)不確定因素多,非線性特性嚴重,基于精確數(shù)學模型的控制方法在控制器設計和參數(shù)調節(jié)上存在困難,智能控制可充分利用其非線性、變結構、自尋優(yōu)等各種功能來克服變參數(shù)與非線性因素。由于模糊控制不需要精確的數(shù)學模型,可以高效地綜合專家經(jīng)驗知識,具有較好的動態(tài)性能和魯棒性,基于模糊邏輯的智能控制技術最近幾年被引入風力發(fā)電機組控制領域并受到重視。文獻33介紹了基于模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡的智能控制方案,用模糊控制調節(jié)電壓和功率,用神經(jīng)網(wǎng)絡控制槳距角及預測風輪氣動特性。這個方案可以較好地滿足最大能量獲取,保證可靠運行和提供良好的發(fā)電質量的控制目標。但是,由于神經(jīng)網(wǎng)絡調節(jié)器是離線訓練的,當機組老化或者運行條件變化時,難以較好地實現(xiàn)控制目標,而且對于高精度的控制問題,模糊控制的效果不理想。模糊控制可將專家的經(jīng)驗和知識用于控制器設計。文獻34對裝有雙邊脈寬調制逆變器的鼠籠式異步發(fā)電機風電系統(tǒng)采用了3 個模糊控制,一個跟蹤發(fā)電機轉速以實現(xiàn)最大空氣動力效率,一個計算輕載時的磁鏈以實現(xiàn)發(fā)電機 逆變器效率優(yōu)化,還有一個實現(xiàn)發(fā)電機速度控制的魯棒性。人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有可任意逼近任何非線性模型的非線性映射能力,利用其自學習和自收斂性可作為自適應控制器。文獻35對一個變槳距風力發(fā)電系統(tǒng)采用雙模控制結構,內(nèi)環(huán)用模糊控制器控制發(fā)電機的勵磁電壓,外環(huán)用神經(jīng)網(wǎng)絡控制器通過在線學習,實現(xiàn)了風能的最大捕獲并減小了機械負載力矩。第四章 風電場建設第四章 風電場建設4. 1 風電場選址規(guī)劃和選擇確定風電場場址時應考慮的因素和遵循的原則在國外已經(jīng)有專門的研究報告，我國有關部門也在進行這方面的工作。概括的說這些原則是：⒈建立風電場地區(qū)的風能資源應該豐富，年平均風速應該在67m/s以上；風能密度應該達到250w/m。⒉建立風電場地區(qū)的盛行風向穩(wěn)定；⒊測量和收集（至少二年）預選風電場的風況特征（包括風速、風向、風頻以及風速沿高度的變化等），以便對場內(nèi)安裝的風力發(fā)電機的發(fā)電量做出精確的估算；⒋對預選風電場址所在地區(qū)的氣象環(huán)境情況（如溫度、相對濕度、大氣壓力、空氣密度）及特殊氣象情況（如臺風、大風、冰凍、鹽霧、灰沙、雷暴、紊流等）有詳細的觀測數(shù)據(jù)及資料；⒌對風電場地區(qū)的地形、地貌（如表面粗糙度）、障礙物（如建筑物）等有詳細的資料；⒍風電場應距公路道路較近，這將關系到風電設備的運輸，并進而影響風電場工程費用；⒎風電場應距地區(qū)電網(wǎng)較近（這同樣影響風電工程費用），以及風電場送入地區(qū)電力網(wǎng)的最大功率與地區(qū)電力網(wǎng)總容量的比例，即風電的最大透入率，以便確定風電場風力發(fā)電機組的輸出對公用電力網(wǎng)系統(tǒng)的影響；⒏風電場應距居民點有一定的距離，以降低對居民點的影響，主要是噪聲及對電磁波的干擾。4. 2 風電廠施工4. 2. 1 風電場施工特點1. 地理位置偏僻,條件惡劣,交通不便。我國風能資源豐富的地區(qū)主要集中在北部、西北和東北的草原、戈壁灘以及東部、東南部的沿海地帶和島嶼。理想的風電場地理位置都比較偏僻,自然條件相對惡劣,交通不便,施工物資及人員進出很不便利。2. 設備笨重,運輸不便, 施工困難當前風電技術發(fā)展趨勢之一是單機容量不斷增大,世界上主流機型已經(jīng)從2000年的500～1000kW增加到2004年的2～3 MW,2004年底5MW的風機進入試運行階段,并已經(jīng)開始10MW風機的設計和研制。隨著單機容量的增大,風力發(fā)電塔越來越高,葉輪直徑和風力發(fā)電機重量不斷增加,風機部件在運輸中大多超長和超重,同時對吊裝機械的要求也越來越高。3. 施工位置分散,地形復雜,機械轉運困難考慮風機尾流的相互影響, 風機之間的水平距離需達到3~4倍塔高,稍有規(guī)模的風電場占地區(qū)域便有幾平方千米,大型風電場甚至幾十、上百平方千米。施工區(qū)域的擴大,給施工及施工管理都帶來不便。風電場場內(nèi)地形地貌也復雜多變,給施工機械從一個風機位置到另一個風機位置轉場帶來很多過程中的困難。4. 季節(jié)性氣候影響較大,有效施工工期短在我國北方,風資源豐富區(qū)域氣候條件基本上是春季短暫多風,夏季多雨,秋季來臨早,冬季風大寒冷漫長,施工期主要集中在夏秋季節(jié),加之雨季的影響,有效的施工工期很短,比如內(nèi)蒙古赤峰賽罕壩風電場,有效的施工期主要集中在5~9月份。在南方,氣候影響主要在夏天雨季和臺風季節(jié),情況相對好一些。5. 連續(xù)大體積混凝土澆筑,質量要求嚴格風機基礎鋼筋混凝土量基本在每臺150～500m左右,屬于獨立大體積混凝土。在總工期的約束下,挖土、墊層施工鋼筋綁扎、模板支護、混凝土澆筑、混凝土養(yǎng)護等形成多個流水線,風電場內(nèi)不斷地重復著大體積混凝土的施工,單個基礎的連續(xù)澆筑時間需持續(xù)10～40h。不僅砼攪拌時要加進緩凝、減水、微膨脹及引氣等外加劑,而且大體積混凝土澆筑工作完成后,其后期養(yǎng)護工作也十分重要。6. 移動頻繁,步驟重復風機的獨立布置型式導致風機的施工場區(qū)要頻繁地移動,施工步驟重復,從基礎的定點、開挖,到風機吊裝、調試、并網(wǎng)發(fā)電,都在不斷地從一個風機位置移動到另一個風機位置,都在一步一步重復著施工工序和步驟。4. 2. 2 應對策略針對風電工程施工的多項特點,為確保風電場施工的工期、質量, 并兼顧施工的效率和成本,研究適應性強的科學的系統(tǒng)性的方法,可以從以下策略著手:⒈加強主吊機械選型風機單機容量的增大,直接導致風機各主要部件的重量越來越重、尺寸越來越大,需要大型起重機才能起吊。由于風電場地形地貌復雜多變及風電施工的特殊性,適用的吊裝機械主要是自行式起重機,包括履帶式起重機和汽車式起重機。吊裝機械選型時,正常吊裝時的吊車負荷率應為額定負荷的82%～87%,以便應對風機設備組件擺放位置(受地形、地貌、地面樹木、石塊、水坑等影響)超過設計最大工作半徑的情況。還可以應對風載及風力吹動組件增加的動荷載,保證吊裝工作的安全性。履帶式起重機的優(yōu)點:履帶的支撐面積較大,對地面的要求也相對較低, MPa,可在不平坦的松軟地面行駛和工作(必要時可墊以路基板),機動性強、轉彎半徑小、起重能力大、起吊高度高、作業(yè)速度快以及動作平穩(wěn)。缺點是其行走速度較慢,履帶會破壞公路路面, 長距離轉場必須拆卸后才可運輸,用平板拖車運輸?shù)竭_工作地點,再進行組裝,因此風電施工應盡量選用有自行拆裝系統(tǒng)的履帶式起重機。汽車式起重機是一種自行式起重機。其優(yōu)點是機動靈活,行駛速度高,轉場速度快,適用于流動性大、不固定的作業(yè)場所。缺點是不能帶負荷行駛, 作業(yè)時必須打支腿。相比起來,大噸位履帶起重機具有汽車式起重機所無法達到的臂長、起重力矩、作業(yè)幅度、帶載行駛能力及適應惡劣地面的能力等優(yōu)勢,而且自