CN101440783B - 风力发电系统运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种风力发电系统运行控制方法，包括以下步骤：在风电场当前风速大于切入风速且小于额定风速时，将叶片伸展到最大长度；在风电场当前风速大于额定风速且小于切出风速时，收缩叶片并变桨；在风电场当前风速小于切入风速或大于切出风速时，叶片顺桨并收缩到最短，停止并网发电。可提高风电场最大年发电量，并优化风电场输出电力质量。

Description

风力发电系统运行控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电机领域，具体来说是一种风力发电系统运行控制方法。

背景技术

风力发电是当前规模最大、发展最快的可再生能源。随着风能利用增长速度的加快，风力发电机组(以下简称风机)的单机规模也不断增大，目前全球平均装机单机容量已到到2MW。

这种兆瓦级风机的额定风速通常设定在12-14m/s，而占国内风电场绝大多数的二、三类风电场全年风速在额定风速以上的比率仅占7％-10％，这使得风机全年超过90％的时间工作在欠功率发电状态；即使是优质风电场，风机全年折合满功率发电亦不足2000小时，也就是说风电场平均发电负荷不到设计装机容量的1/4，造成风机发电能力的极大浪费。

由于风速风向的不稳定性，风机输出功率波动性，每个风电场即一个独立的发电厂，其输出电量随风速大幅波动；这将对主干电网产生冲击，使电网电力设施和用电器受到极大危害，因而造成风电无法大规模并网。从电网和用户的角度，被称作绿色能源和黄金电力的风电却变成了垃圾电。

由此可见，风力发电这一当前规模最大、发展最快的可再生能源在现阶段存在极大技术发展瓶颈，有必要设计一种基于风电场的全新风力发电机组，实现风电场最大年发电量和最优发电质量的目标。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种风力发电系统及其运行控制方法，可提高风电场最大年发电量，并优化风电场输出电力质量。

为解决以上技术问题，本发明提供的风力发电系统运行控制方法，包括以下步骤：

在风电场当前风速大于切入风速且小于额定风速时，将叶片伸展到最大长度；

在风电场当前风速大于额定风速且小于切出风速时，收缩叶片并变桨；

在风电场当前风速小于切入风速或大于切出风速时，叶片顺桨并收缩到最短，停止并网发电。

优选地，包括以下步骤：

在风电场当前风速大于切入风速且小于额定风速时，开启辅助发电装置；

在风电场当前风速小于切入风速或大于切出风速时，关闭辅助发电装置。

与现有技术相比，本发明可提高风电场最大年发电量，并优化风电场输出电力质量，具体而言：采用伸缩式叶片结构，相应降低风机额定风速和额定功率设定值，使风机在全年大部分时间内工作在额定发电状态，增加全年满功率发电时间；伸缩式叶片结构和变桨距系统相结合，调节输出功率，优化风电场输出电力质量，其调控范围大、方式灵活。进一步地，采用扰流增升式翼型设计，提高风能利用系数，增加风机全年发电功率。更进一步地，以辅助发电设备作为适当补充，使风电场输出功率稳定在设计输出功率值，实现风电无限量并网之目的。

附图说明

图1是本发明风力发电机组、风力发电系统一较优实施例的组成框图；

图2是图1所述风轮叶片的工作原理图；

图3是图1所述风轮叶片一较优实施例的结构示意图；

图4是本发明风力发电系统运行控制方法一较优实施例的流程图。

具体实施方式

本发明的基本构思是，风力发电机组采用伸缩式叶片结构，相应降低风机额定风速和额定功率设定值；伸缩式叶片结构和变桨距系统相结合，调节输出功率。

下面结合附图与实施例具体说明。

请参考图1，该图是本发明风力发电机组、风力发电系统一较优实施例的组成框图。本发明所述的风力发电机组1，包括：

风轮11，用于将风能转换为机械能；所述风轮11包括叶片111与轮毂112，叶片111的叶根固定在轮毂112上，轮毂112与主轴12一端连接，主轴12的另一端通过传动系(如齿轮箱13)与发电机14连接。其中，

所述叶片111为伸缩式结构：在预设低风速范围内伸展叶片，以提高风能捕捉，降低风轮启动力矩；在预设高风速范围内收缩叶片，以调节风机输出功率。一般地，高风速为风速大于12m/s，低风速为风速小于7m/s；当然，根据风电场的风速分布情况，也可将高风速、低风速设定为其它数值，在此不再赘述。优选地，叶片111为扰流增升翼形，类似于大型客机机翼的形状，以提高风能利用系数C_p值，增加风机全年发电功率。

所述每个叶片111与轮毂112之间设置变浆距系统(图未示)，使得叶片111可绕轴旋转或调节浆距。所述变浆距系统由变浆距轴承、驱动机构、原动机及附件组成，其具体结构可采用现有技术方案，例如《风能技术》(Tony Burton等著，武鑫等译，科学出版社，2007年9月)中所公开的变浆距系统。其中，所述变浆距系统中的关键部件为变浆距轴承，类似于起重机的回转支撑，介于单个叶片111与轮毂112之间；该变浆距轴承的内、外圈分别用螺栓与轮毂112和叶片111连接，使得叶片111可以相对于其轴线变浆距。

主轴12，用于从风轮11传递扭矩到传动系的其它零部件上，同时还支撑着风轮11；一般地，主轴12采用法兰盘与轮毂112连接，用收缩盘与齿轮箱13连接。同时，主轴12被轴承支撑，将载荷传递到机舱底板上(图未示)。

齿轮箱13，用于将风轮11旋转速度在高速轴侧提高到与发电机14相适用的转速。一般地，齿轮箱13可采用平行轴式或行星式，以满足重量轻、效率高、承载能力大、噪声小、起动力矩小等要求。当然，若风力发电机组1为直驱式机组时，则无需齿轮箱13，改由低速轴连接轮毂112和发电机14的转子。

发电机14，安置在齿轮箱13后部、机舱底板的延伸段上，通过高速轴及弹性联轴器与齿轮箱13输出轴相连。对于直驱式机组，由低速轴连接轮毂112和发电机14的转子。一般地，在定速机组中多采用感应电机；在变速机组中，发电机14不是直接连接电网，因此可使用同步电机。

机械制动系统(图未示)，用于停机和制动，特别是在空气动力制动系统失效时的制动。一般地，机械制动系统可采用圆盘式和离合器式类型，在此不再赘述。

偏航系统(图未示)，用于实现风机对风，即保持风机正向迎风和背离风向；或者，在电缆过度扭缆时解缆。所述偏航系统可采用主动偏航或自由偏航两种类型；前者可用电机驱动，后者利用空气动力驱动。所述偏航系统中至少包含偏航轴承，以承载风力发电机组1中的主要部件重量，并传递气动推力到塔架。其中，偏航轴承中含有齿圈，偏航驱动机构中的小齿轮与之啮合，驱动机舱底板摆动。

机舱(图未示)，包括机舱底板和机舱盖；前者用于安装齿轮箱13、发电机14、偏航轴承等部分的结构件，后者用于保护底板上机械和电气零件免受阳光、雨水、冰雪等影响。

塔架及基础(图未示)，塔顶与偏航轴承的固定圈连接，塔底与基础固接，用于将风力发电机组1的主要部件升高到一定高度。这是由于风速随高度增加，湍流现象减少。

控制器(图未示)，用于风力发电机组1由一种运行状态到另一种运行状态的转换过渡过程控制，包括待机、启动、发电运行、停机、故障停机等状态的控制。

为实现本发明之目的，风力发电机组1叶片111的伸缩式结构设计为关键，以下进一步说明。

众所周知，在风力发电系统中，风轮11可视作风机的发动机，增大叶片111长度即可增加风轮11的扫风面积，从而提高风机的输出功率。假定P为额定功率，C_p为风轮利用系数，ρ为空气密度，V_r为额定风速，η₁、η₂分别为传动效率、发电机效率，D为风轮直径，有：

$P=1/2C_p\mathrm{\ρ}{V}_r^3{\mathrm{\η}}_1{\mathrm{\η}}_2{D}^2\mathrm{\π}/4---\left(1\right)$

由公式(1)可见，风轮直径主要取决于风机额定功率、额定风速；由此，只要确定风机额定功率、额定风速，就可以计算出风轮直径。

请参见图2，该图是图1所述风轮叶片的工作原理图。图中，r_out为风轮叶片外圆半径，r_out-max和r_out-min分别为风轮叶片伸展时最大外圆半径和收缩时最小外圆半径；r_in为风轮叶片内圆半径，r_in-max和r_in-min分别为风轮叶片伸展时最大内圆半径和收缩时最小内圆半径，r_m为风轮叶片伸缩中心半径。以上变量存在以下关系：

r_m＝(r_{out_max}+r_{in_min})/2＝(r_{out_min}+r_{in_max})/2(2)

由此，确定风机额定功率P、额定风速V_r后，就可根据公式(1)、公式(2)设计风轮叶片的有关参数。

由于当前兆瓦级风机的额定风速在12-14m/s，导致风机全年90％的时间都工作在欠功率发电的状态，输出功率波动很大。因此，本发明将额定风速提前至6-10m/s之间，相应的将风机额定功率P的设定值降低，则风机全年满功率发电的时间比例最高可升至60％以上，从而大大减少风机输出功率波动，提高风电品质。

确定风机额定功率P之后，根据风能利用率公式，并结合风机设计经验，依次确定r_m、r_out-max、r_out-min、r_in-max和r_in-min，即确定风轮11的主要参数；由风机的额定风速、额定功率和叶片的主要结构参数，按照风机设计标准的计算方法，可进一步确定风机主轴12、齿轮箱13、发电机14等主要部件的选型，至此完成发电厂型风机主要参数的设计工作。

特别地，采用伸缩式叶片结构的同时，借鉴大型客机机翼的扰流增升设计，将其移植到风轮叶片结构中，提高风能利用系数C_p值，增加风机全年发电功率。

所述伸缩式叶片结构可具体设计为多种形式，以保证叶片111伸缩灵活、可靠性高为准，以下为伸缩式叶片的一实例。

请参见图3，该图是图1所述风轮叶片一较优实施例的结构示意图。所述叶片111包括固定叶片1111、伸缩叶片1115和用于驱动伸缩叶片1115的直线运动驱动机构1112；所述直线运动驱动机构1112可为油缸、气缸或电动推杆之一，其一端以铰接或其它方式装配在在固定叶片1111的内腔中，另一端与伸缩叶片1115连接；直线运动驱动机构1112动作时，使得叶片111的总长度改变。

如图3所示，所述叶片111优选地包括支撑机构1113、可移动的滑板1114，其中：支撑机构1113固定在固定叶片1111的内腔中；支撑机构1113上安装滑板1114；滑板1114的一端与直线运动驱动机构1112连接，另一端与伸缩叶片1115连接。

该伸缩式叶片111，可根据风速大小将伸缩叶片1115在固定叶片1111的内腔中收回或伸出，从而实现风轮11直径的调节，并由此调整风轮转速，提高发电效率。该伸缩式叶片结构和变桨距系统相结合，调节输出功率，优化风电场输出电力质量，其调控范围大、方式灵活。

此外，尽管伸缩式叶片与传统叶片相比结构复杂、制造成本增加；但由于风机额定功率设定值降低，且在风速超过额定风速时可通过收缩叶片减少扫风面积，由此大大降低风机的气动承载，风机的机械传动系统和发电机系统相应结构的设计尺寸可减小，风机综合制造成本下降。

在上述风力发电机组1的基础上，对风机输出电力进行并网，构成风力发电系统，以下进行说明。

如图1所示，所述风力发电系统包括若干风力发电机组1、变换器2、变压器3(不失一般性，图1仅示出一组部件)，其中：变换器2用于将发电机14输出的交流电经整流、变频到电网4的频率；变压器3用于将发电机14输出的交流电的电压增压至电网4传输电压。

特别地，将风电场视为一个独立发电单元，配备若干辅助发电装置5(例如柴油发电机等)，以此作为发电机14输出功率的调节工具；当风速低于额定风速值时，根据输出功率恒定的要求，开启若干台辅助发电装置，使风电场输出功率总量达到其设计发电功率值；由此，可提高风电场全年满功率发电小时数，减少风电场输出功率波动，改善风电品质，实现风电无限量并网之目的。

以下对本发明风力发电系统运行控制方法进行说明。

请参见图4，该图是本发明风力发电系统运行控制方法一较优实施例的流程图。

S401、获取风电场的当前风速。

一般采用风速传感器检测风速大小；由于风速为缓变量，风速传感器精度要求无需太高，只要满足控制要求即可。

S402、判断当前风速是否大于切入风速且小于切出风速，

若是，进入步骤S403；

若否，进入步骤S408。

S403、判断当前风速是否小于额定风速，

若是，进入步骤S404；

若否，进入步骤S406；

S404、将叶片伸展到最大长度。

当风电场当前风速大于切入风速、且小于额定风速时，叶片伸展到最大长度，以增大扫风面积，降低了风轮启动力矩，即风机在很低的转速下即可运行发电。

S405、开启辅助发电装置，并返回步骤401。

由于风电场风速未达到额定风速，风电场为欠功率发电；此时，根据风电场输出功率恒定的要求，开启若干台辅助发电装置，使风电场输出功率总量达到设计额定功率。

S406、收缩叶片并变桨。

由于风电场当前风速大于额定风速且小于切出风速，通过收缩叶片并结合变桨，以保证发电机输出功率维持在额定功率。

S407、关闭辅助发电装置，并返回步骤401。

在已开启辅助发电装置的情况下，此时应使辅助发电装置停止发电。

S408、叶片顺桨并收缩到最短，停止并网发电。

在风电场当前风速小于切入风速、或大于切出风速时，都不能正常发电；此时，应将风轮叶片顺桨并收缩到最短，同时停止并网发电；由于风电场全年出现此种情况的时间不足10％，显然，在此种条件下不必开启辅助发电装置进行功率补偿。

采用上述风机设计方案及削峰填谷的调控手段，可使风电场全年绝大部分时间(最高可超过全年时间的90％)运行在设计输出功率的状态，全年折合满功率发电小时数提高1-2倍；由此保证输出功率较为平稳，减少对主干电网的冲击，使风电输出品质接近火电的水平，实现风电无限量并网。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种风力发电系统运行控制方法，风力发电系统包括风力发电机组、将所述发电机输出功率整流和变频的变换器、以及将所述发电机输出功率增压到电网传输电压的变压器，风力发电机组包括风轮、主轴及发电机，所述风轮包括叶片与轮毂，所述叶片的叶根固定在所述轮毂上，所述轮毂与所述主轴的一端连接，所述主轴的另一端通过传动系与所述发电机连接，所述叶片为伸缩式结构，在预设低风速范围内所述叶片伸展，在预设高风速范围内所述叶片收缩；所述叶片与所述轮毂之间设置变浆距系统，使得所述叶片可绕轴旋转，其特征在于，包括以下步骤：

在风电场当前风速大于切入风速且小于额定风速时，将叶片伸展到最大长度；

在风电场当前风速大于额定风速且小于切出风速时，收缩叶片并变桨；

在风电场当前风速小于切入风速或大于切出风速时，叶片顺桨并收缩到最短，停止并网发电。

2.如权利要求1所述的风力发电系统运行控制方法，其特征在于，所述叶片为扰流增升翼形。

3.如权利要求1所述的风力发电系统运行控制方法，其特征在于，所述叶片包括固定叶片、伸缩叶片和用于驱动所述伸缩叶片的直线运动驱动机构；所述直线运动驱动机构一端装配在所述固定叶片的内腔中，另一端与所述伸缩叶片连接。

4.如权利要求3所述的风力发电系统运行控制方法，其特征在于，所述叶片还包括支撑机构、可移动的滑板；所述支撑机构固定在所述固定叶片的内腔中；所述支撑机构上安装所述滑板；所述滑板的一端与所述直线运动驱动机构连接，另一端与所述伸缩叶片连接。

5.如权利要求3所述的风力发电系统运行控制方法，其特征在于，所述直线运动驱动机构为油缸、气缸或电动推杆之一。

6.如权利要求1所述的风力发电系统运行控制方法，其特征在于，所述风力发电机组的额定风速为6-10m/s。

7.如权利要求1至6任一项所述的风力发电系统运行控制方法，所述风力发电系统还包括若干辅助发电装置，用于调节所述发电机输出功率，其特征在于，包括以下步骤：

在风电场当前风速大于切入风速且小于额定风速时，开启辅助发电装置；

在风电场当前风速小于切入风速或大于切出风速时，关闭辅助发电装置。

Images