变桨距风力发电机组变桨与功率控制策略

变桨距风力发电机组变桨与功率控制策略

杜书旺

中车山东风电有限公司，250000

摘要：风力发电系统极容易受到风速、风险及空气密度等影响，为有效的发挥出风能资源获得持续稳定的风力发电，保障风电机组能够正常运行，本文将以分析风能资源特点为出发点，包括风能资源蕴含量大、分布较广、风能能力密度低、对环境污染较小等，主要探究风力发电机组变桨与功率的控制策略，并分析变桨距风电机组桨距调节过程，以此为建设风力发电项目、检修人员提供相应帮助和建议。

关键词：变桨距；风力发电机组；功率控制

根据我国电力高发展要求，为实现2060双碳目标，需要大力发展可持续、无污染、环保的新型能源来替代现有的化石能源，其中风力能源作为新型能源的主力军，为促进电力系统发展发挥积极作用。近几年随着风力发电技术在迅猛发展下，发电量和装机容量不断增加，然而由于风力发电主要特点是极容易受到天气影响变化，若不及时对风能资源加以利用就会消失等。所以，需利用风电机组叶尖速比、转速以及恒功率等进行优化控制，促使能够在变化莫测的风况下安全运行，并充分发挥利用风能资源。

1. 风能资源特点

风能和其他资源相比之下存在以下特点：

第一，蕴含量大、分布广泛。根据相关数据资料显示全球风能资源约在1300KW3，可利用风能预估计为200亿KW3，是水能资源的10倍，每年发电量高达38KWh。在我国风能资源相对丰富，经济开发量预估在10亿KW以上[1]。

第二，风能属于可再生资源。与石油、煤炭等资源相比风能具有可再生特点，风能主要是太阳能引起的一种过程性能源，能够循环使用的同时不断补充，但风能无法储存，若不能及时将风能进行利用则会消失。

第三，风能对环境污染影响较小。在利用风能过程中不会造成污染排放，但是在风力建设项目过程中会对植被形成破坏，在风力项目建设结束后可以通过补救措施将植被进行修复，弥补建设项目过程中造成的影响；风机叶片旋转光影会对鸟类歇息有一定影响。

第四，风能能量密度低，不同地区差异大、稳定性差；由于风能资源本身属于空气流动，且空气密度小，使得风能能量密度低；尤其是在部分地区受到地理位置影响，各个地区或统一地区在不同位置方面风功率能量密度差异明显；同时风能也会随着季节、温度、湿度引起风向、密度等变化。

2. 变桨距风电机组桨距调节过程

风电机组桨距包括定桨距和变桨距两种型式，主要判定的风电机组是否存在可变。然而由于定桨距风电机组是在小型风电机组中应用，以下将不会予以探讨，主要探讨现阶段广泛应用的的变桨距风电机组。

当在最低风速时变桨距风电机组叶片开桨就会转到合适位置，保证叶轮能够启动力矩，达到在最低风速情况下发电的目的。若此时风速超出额定风速后就会通过变桨距对风力及组限制，使得风力机功率能够稳定输出。所以，变桨距风力发电机组能够在风速变化并明显的情况下额定功率始终保持稳定，并通过风能资源提发电能力。若此时风电机组需要与电网脱离时，则需要将变桨系统中叶片转动减少吸收功率，确保发电机和电网断开后能够使得功率减小，预防由于定桨距风电机组脱网后甩出[2]。

2.1启动网阶段的桨距调节

当风速达到一定时速后，控制系统和安全检测系统满足风电机组的启动要求，控制系统此时会自动解除停机指令，当进入停机状态后进入启动状态，叶片进入变桨状态，发电机转速开始上升，当发电机转速升至网转速同步范围时，主控择机会同时发出指令，并与电机定子绕组进行连接，达到并网运行目的。在风电机组开启后如若此时风速小转速就会降低，转速低就会导致发电输出功率变为零，需要将发电机断路器和电网断开，风电机组受桨，再通过叶片平面扫风阻力达到安全停机目的，等风速提高达到要求后再次启动。

2.2风能捕获桨距调节

在并网后若风速此时并没有满足额定风速，发电机的电网功率一定会低于额定功率，在此阶段主要控制目标是充分利用风能资源，提高风电机组的发电功率，并对变桨系统发出指令，将变桨距设置为风能吸角度，通常为20-30，主控系统只需要通过预先设定的功率曲线通过叶尖速比控制并调节发电机的励磁电流，确保风机组能够在当前风速下叶尖速比正常运行，达到风能捕获的目的，提高发电机组功率。

2.3额定风速的桨距调节

若风速大于发电风速时长的允许绩效发电风速极值时，为保障风电机组自身和控制系统安全，风电机组需要执行停机命令，并停机，此时风速为控制风速和瞬时最大停机风速，主控系统会对变桨系统发出指令，变桨系统会将叶片顺桨，使得风力机组降低风能吸收，顺桨叶片平面扫风阻力有一定制动效果，并对风电机组转动惯量动能立即消耗，促使发电机组降低转速，此时输出功率降低为零时，发电机侧断路器会和电网断开，风电机组通过叶片平面达到安全停机目的，等风速达到要求后再行启动并网。

3.变桨距风力发电机组变桨与功率控制策略

3.1变桨距功率控制特点及应用

从本质而言对变桨距控制是通过改变变桨距角的风力方向及叶片攻角来达到控制风力机组的目的，所以风力机组具有的气动特性是变桨距系统的主要特点。此外当风电机组达到额定功率时，控制器会将叶片桨距角调整为0

0，对风能并不会做出调整，发电机功率结合叶片气动性随风速变化变化。此时若功率大于额定功率时，变桨距系统就会开启工作，将桨叶片角进行调整，并设置输出功率在额定值范围内[3]。但随着并网风电机组容量增大，风机单只叶片重量已经达到十吨作用，叶轮直径会高至200m作用，在操作时想要若要跟上随机变化的风速具有一定困难。事实上，若不采取其他措施仅仅利用变桨距来调节输出功率是无法达到目的的。所以，除去控制桨叶角外，还需要控股之发电机转子电流来调整发电机的转差率。

3.2优化额定功率策略

当风电机组启动后，若风速低于额定风速则会使得发电机会在低功率状态下运行在早期不予以控制，功率输出主要决定桨叶气动性能。近几年，为优化超低风速情况下风力机桨叶气动性能，通过结合风速大小、调整发电机转差率，促使运行在最佳叶尖速比，满足吸收风能要求、优化功能功率。主要通过风速变化中的低频分量来控制信号，不会对风速变化中的高频分量进行响应。

3.3额定功率运行状态下的策略

当风速符合额定风速且在切除风速范围时，风电机组会到管理状态，与以往变桨距风电机组控制方式相比，切换转速控制，变桨距系统会结合发电机的信号及功率反馈，为额定功率给定恒定值来控制桨距角，若功率大于额定功率时，叶桨距就会随之风向减少转动角度。

4结束语

本文结合风能资源特点分析变桨距风力发电机组变桨与功率的控制策略，从有效利用风能资源、稳定输出功率等方面进行阐述，并阐述变桨距风电机组调节过程。此外随着技术应用发展及风电装置在电网中的广泛普及，也提高对风力发电机组及控制技术的要求，除去确保输出功率稳定以外，还需要具备额定功率稳定运行等，为达到我国双碳目标做出贡献。

作者简介：XX

参考文献：

[1]巫发明,杨从新,王清,王靛.大型风力机风轮气动不平衡的特性研究与验证[J].太阳能学报,2021,42(01):192-197.

[2]曹成帅. 基于改进PID的风力发电机组独立变桨距控制策略研究[D].新疆农业大学,2016.

[3]时超洋. 大型风电机组变桨距控制技术及半实物仿真试验研究[D].湖南工业大学,2020.