小型风力发电系统设计探究

芦定雄

摘 要：随着科学技术的发展，新能源普及的提升，风力发电成为一种环保而时尚的方式。基于这个背景，本文结合相关技术理论，设计了该项小型风力发电系统。首先，本文简要的介绍了小型风力发电系统的整体构成，并细致的介绍了其运作的特点。随后，本文从应用的实际出发，有针对性的分析了小型风力发电机控制系统的选择。综合上述内容，本文也提出了在设计实践中风机的核心控制策略，旨在为相关工作者提供有价值的参考与借鉴。

关键词：小型风力发电系统；设计；探究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.082

0 引言

随着科学技术的发展，“十三五”规划的推进，新能源战略已逐步的深入人心。与太阳能和水能一样，风能同样也是干净的可再生能源。和自然界当中的煤或是石油有所不同，风能不像这些矿物燃料最终会使用殆尽，它是一种取之不完，用之不尽的清洁型能源。通过对风能进行利用，风力发电将其转变成电能，给广大用户提供电力能源。因此，风力发电系统得到了人们的广泛的关注。特别是新能源普及的提升，风力发电成为一种环保而时尚的方式更是受到人们的青睐。在此背景下，如何设计出一套应用方便，造价低廉的小型风力发电系统成为时下较为热门的话题。

1 当前我国小型风力发电机的常见技术种类

从我国当前的小型发电机的技术类型来看，主要分为上风向和下风向两大类别，其中上风向分别包括恒速运行，叶片被动进行失速调节，尾翼被动偏航以及变速或者定速运行，机械被动变桨、主动控制偏航接两个类型。前者的机构上比较简单，对其进行起来比较容易，然而功率的稳定性能较低，特别遇到风力较大的状况就很容易出现破损。后者与前者相比，安全性能相对较高，然而因而使用的是机械被动变桨，所以很难确保可以较长时间的安全可靠运行，同时其功率稳定上依然较低。从下风向来来看，包括变速或定速运行，机械被动定桨距或变桨，该类型在安全特性上较好，所需要的成本较低，然而对整机很难进行控制，且对风的精确度不高，对风能的利用率较低。

2 小型风力发电系统的整体构成及优势分析

从结构上来分析，小型风力发电机的组成部分是一个相互联系、相关制约的系统，具体来说，包括了桨叶，轮毂，变流器，主控制系统，蓄电池，偏航系统，永磁同步發电机，变桨系统，风速风向仪等各类传感器以及塔架等部分。通过这样的构架，这类发电系统具备着与传统发电设备相比的特殊优势：其一，各个部件采用新型材料，实用性强，重量低，强度高，桨叶和轮毂不易破损；其二，电机的偏航程序由偏航调控装置来实现主动偏航，这与传统的偏航系统相比，操作更加便捷，可靠性也更强；其三，突破传统的励磁方式，通过稀土永磁装置完善主发电机，使其运作效率更高，控制更加便捷。此外，该系统还将工业控制计算机系统融入其中，使其在运作的过程中更加的灵活；其四，电网控电系统优化，当遇到特殊情况时，及时系统的电网突然断电，蓄电池也能继续发挥其作用，最大限度的保障电机组装置；其六，设备灵敏度强，即使在复杂的环境之下，超声波风速风向仪也能在最短的时间内地测量出实时风速，并精确的传达到控制器；最后，偏航系统采用的绝对值编码器能记录机船旋转的角度，能预防机舱朝一个方向旋转过多而造成缆线缠绕。

同时，对于风电机组的整体设计上，也做了极大的优化。例如，在风电机组设计之初，就将偏航控制装置、变桨装置设计到风电机组的内部，并对外壳进行了强化。因此，及时遭遇恶劣天气，风电机组也不容易受到损坏。与此同时，为了方便操作人员对风电机组进行维护和日常保护，本系统也对机船盖进行了优化的设计，不仅可以灵活的打开，而且将风向仪装置在其上方，从而既确保了风电机组的安全性，也保障了风力测量的精准度。更值得注意的是，本系统还额外的设计了塔架装置，旨在机组能够适应较高的风速，并通过连线的优化，使其信号直接接入主控制器中。

3 小型风力发电机控制系统的选择分析

风的随机性很大，例如风向在不同时刻是不同的，同时风速的变化很大，有时风速很大，有时风速几乎为零。鉴于风能的不稳定性，加大了风力发电的难度。这给风机的控制系统的设计造成了不少的难度。同时，风机一般运行在风能资源丰富的边远区域，海岛或者海上，而这些地方一般无人值班，因此，风机必须具备无人自动运行的能力或者远程监控运行的能力，这进一步加重了控制系统设计的难度。

在实际的操作运行过程中可知，此类风电机组也在很大程度上受到高度限制，特别是周围存在障碍物也会干扰风况。因此，此类风力发电机是工作在风的斎流区域，但是无规律的风况变化也会在一定程度上对风电机组造成一定的破坏，也极大的增加了风电机组的重量负荷。从这个意义上讲，该类风电机组的设计，必须在广泛调研实际运作环境的基础上，本着可靠性和稳定性的原则，完善风电机组的调控系统，有针对性的解决问题。具体来说，风电机组的调控系统是整个小型风电机的核心组成部分，是安全性的根本性保障。从传统的风电机设计来看，大多风电机都采用了配套研发的控制器，这类控制器虽然能够对电流输出控制起到一定的效用，但实际运作中也容易产生各种各样的问题。

在新的形势之下，国外风力发电机组的控制系统基本都使用集散型或分布式工业控制计算机，并且在符合自身实际的基础上，配套有专用模块来实现各种功能，控制设计以及程序现场调试都非常方便。从这个意义上来讲，仿照国内大型风力发电机控制系统和国外风力发电机控制系统，用工业控制计算机作为小型风力发电机控制系统的主控制器，分模块化进行控制，每个模块都有独立的控制器或者驱动设备，它们和主控制器一起来实现整个系统的控制。风机控制系统的整体控制框图如图1所示。

其中，小型风力发电机控制系统要实现有效的运作，必须以工控机为核心。具体来说，风电机组的工控机具有检测风况数据，汇总分析数据，异常与风险问题研判，控制风电机组模块系统运行等功能。值得特别注意的是，当遭遇突发情况，工控机不仅能自行的做出判断，而且能够在第一时间内启动保护装置。对于此类发电机组而言，其工控机在实际运作中具备以下几个方面的特点：其一，高工控机能够在保证安全的前提下，第一时间接受各类传感器检测到的实时数据，从而掌握风况以及风力发电机运行状态，具体包括风速，风向，主发电机转速，主发电机等组件温度，变流器输出的有功功率等等。其二，根据检测到的风速和转速等数据，额定功率以前，通过变流器来控制主发电机进行最大功率追踪等等。额定功率以后，控制变桨系统来保持主发电机额定功率发电。其三，根据检到的风速和转速等数据，来控制偏航系统，变桨系统工作。其四，根据检测到的风速和转速等数据，来控制是否执行保护动作，即电动刹车等等。

4 风机核心控制分析

从理论上来分析，风力发电机的控制有两个方面的目的：一是对风电机组的运作功率进行调整，而是在设备可控范围内，实现最大限度的风能捕捉。这两个方面功能的实现，是以工控机为核心的。具体来说，风电机组的工控机的主要作用就是将各方面的信号数据进行汇总，并通过固定的算法进行准确的数据判断。而具体的运作任务，则由控制偏航系统，变桨系统和变流器等装置来负责实施。

具体来说，偏航系统和变桨系统通过工控机发出的数据信号，调相应的动作，在确保风电机组安全运行的基础上，最大限度的捕捉风能。对于运作功率调整的工作而言，则是由风电机组的变流器来实现。从性质上来看，功率的调整主要分为两个部分，一是最大功率追踪，二是对机组功率。进一步来说，所谓最大功率追踪就是在保证一定承受限度之内使其最大功率输出。所谓功率转换就是将主发电机发出的電能，整流逆变后送到电网上去，确保发出高质量的电能。综合上述分析可知，风力发电机的核心控制策略，就是风电机组的工控机汇总各类数据并进行决策，并通过偏航系统，变楽系统以及变流器等装置来实现目标的过程和方法。

5 结论与展望

在新能源战略背景之下，本文简要的介绍了小型风力发电系统的整体构成，并有针对性的分析了小型风力发电机控制系统的选择，也提出了在设计实践中风机的核心控制策略，旨在为相关工作者提供有价值的借鉴。同时值得注意的是，随着科学技术的日新月异，小型风电发电系统在应用中也会不断的产生一系列新情况与新问题，对于内部结构的优化也将面临新的挑战。对此，相关设计者应当从具体的应用实际出发，不断完善技术理论，使小型风力发电机的系统设计更加的科学，从而更好的造福于人。

参考文献：

[1]范正萍，王心尘，杜华夏，王亚军.小型家用垂直轴风力发电系统的设计[J].能源技术，2007（05）：279-283.

[2]赵强，崔畅.小型风力发电系统正弦波逆变器设计[J].电子设计工程，2011（04）：82-84.

[3]边疆.小型风力发电系统逆变器的设计与实现[J].阴山学刊（自然科学），2011（02）：49-51.

[4]江晓林.小型风力发电系统及其控制技术的研究[D].华北电力大学（河北），2008.

[5]刘宇.小型风力发电系统的研究和设计[D].中南大学，2013.

[6]张纪杰.小型风力发电并网逆变系统的设计与研究[D].天津大学，2012.