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。
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。