变桨距风力发电机组变桨与功率控制策略

韩 勇

(大唐四川发电有限公司新能源分公司，四川 成都 610074)

按照电力高质量发展要求，实现2030年碳达峰、2060年碳中和“双碳”目标[1]，需大力提倡和发展可持续、无污染、清洁、绿色、低碳、环保的新型能源替代现有化石能源，其中风力发电是清洁能源主力军之一，在电力系统中发挥着重要作用[2]。近年来风力发电在“四新”技术应用下得到迅猛发展，装机容量与发电量在电网中的占比不断增加，但风力发电的特点是出力受天气影响随机变化大、不及时利用就会自动消失等。为此，通过对风电机组叶尖速比、转速、变桨与恒功率等控制与优化，使风电机组在随机变化的风况下安全稳定运行，并最大限度地利用风能资源。

1 风能资源的特点

风能与其他能源形式相比，其特点是：

1)蕴藏量大、分布广。据世界气象组织估计，全球风能总容量约1 300亿kW[3]，其中可利用风能约为200亿kW，为地球上可开发利用水能资源的10倍，平均年发电量高达35万亿kWh。我国风能资源丰富，据推测，经济可开发量在10亿kW以上,2021年底我国风电并网装机容量达3.284 8亿kW，年发电量6 526亿kWh，如图1。

图1 我国风电装机及年发电量

2)风能是可再生能源。煤、石油、天然气、核能等短期内不能再生，消耗一点少一点。风能的源头是太阳能引起的一种过程性能源，可以循环使用并不断得到补充，但不能直接储存，不及时利用就很快消失了。

3)风能利用对环境影响小、运行期间无污染排放。风电项目建设期对植被有一定破坏，但在建成后可采取工程措施、植物措施对破坏的植被进行恢复与美化升级，弥补建设期造成的影响；风电项目建成运行期间有较少的噪声，且影响范围很小；风机叶片旋转的光影仅对鸟类的歇息环境有一定影响。风电项目运行期间不消耗化石资源，不排放SO2、CO2、NOx、粉尘、不耗水，对减少有害物质排放、减轻大气污染、保护地球环境、减少温室效应意义显著。

4)风能能量密度(即风功率密度)低、不同地区差异大、具有不稳定性。风能来源于空气流动，由于空气密度小，风能重要缺陷是能量密度很低；受地形、高程、地理位置影响，各地区间或同一地区不同位置风功率密度差异明显；风能随季节、天气、温度、湿度、日照、比热容等变化会引起风向、风速、密度等变化，易产生不利的风切变、湍流、涡流，造成风功率密度脉动、波动频繁。

2 风电机组的基本构造与组成

早期将整个风力发电机组设备称为风力机或风轮机，现在统称为风力发电机组，简称风电机组。从能量转换角度看，风电机组由风力机和发电机两个主要部分组成。风力机主要指风轮(又称涡轮)部分，作用是将风能转换为旋转机械能；发电机则是将旋转机械能通过切割磁力线转换为电能。按照风轮旋转主轴与地面相对位置的关系，风电机组分为水平轴机组与垂直轴机组，目前应用广泛、单机容量大、优点多的是水平轴风电机组，其主要由基础、塔架、机舱(双馈机组中包含发电机、齿轮箱)、永磁发电机(仅直驱机组中包含)、轮毂、叶片、气象架等组成。按照发电机励磁方式又可分为直驱风电机组、双馈风电机组(含半直驱风电机组)。

风电机组中集成有偏航系统、变桨系统、发电系统、通讯系统、监测控制系统、操作系统、安全保护系统(安全链)、制动系统、冷却系统、UPS直流系统、升降系统等。

3 变浆距风电机组桨距调节过程

根据风电机组桨距是否可变，分为定浆距与变浆距两种型式。由于定桨距风电机组主要应用在早期、小型风电机组中，本文将不作讨论，仅讨论目前广泛应用的变桨距风电机组。

变浆距风电机组在满足开机最低风速时，叶片开桨转动到合适位置确保叶轮具有最大启动力矩，实现超低风速下启动并开始发电。当风速超过额定风速后，并入电网的风电机组能够通过变桨距限制风力机吸收风能，使风力机输出相对稳定功率，发电机的出力则可保持在允许范围内。因此，变桨距风电机组可在风速变化很宽的范围内保持额定功率发电这一比较理想的状态，充分利用风能资源提高发电能力。当风电机组需要脱离电网时，变浆系统先转动叶片使之减小吸收功率，在发电机与电网断开之前，功率减小至零，避免了定浆距风电机组每次脱网时的突然甩负荷过程，具有对电网冲击小、对风电机组的塔架、机舱、发电机、轮毂以及基础冲击载载荷小的优点，有利于安全稳定运行。

3.1 启动并网阶段的桨距调节

风速达启动风速并保持一定时间后(一般为10 min)，控制系统与安全系统检测风电机组各部分的启机条件满足要求后，控制系统解除停机指令，由停机状态进入启动状态，叶片开始变桨，发电机转速快速平稳上升，当转速达到并网转速同步范围时，主控择机发出指令，连接发电机定子绕组与变频器的主断路器合闸，实现并网运行。

风电机组启动后，若风速减小，转速将降低，当转速降低至发电机输出功率为零时，发电机侧断路器与电网断开，风电机组收桨，利用叶片平面扫风阻力实现安全停机，待风速满足要求后再启动。

3.2 最大风能捕获阶段的桨距调节

并网后，如果风速没有达到额定风速，发电机送入电网的功率必然小于额定功率，这个阶段控制目标是最大限度地利用风能，提高风电机组发电功率，主控系统对变桨系统发出指令，将桨距角设定在最大风能吸收角度(一般为2°～3°)[4-5]，主控通过预先设定好的优化功率曲线，用叶尖速比(叶片叶尖线速度与风速之比)反馈量对发电机的励磁电流进行调节与控制，让风力机运行在当前风速下所对应最优叶尖速比的转速范围内，实现最大风能捕获，提高发电功率。

3.3 恒功率控制阶段的桨距调节

当风速超过额定风速时，风力机的功率将不断增大，因此，本阶段控制目标是控制机组的功率在额定值附近而不超过功率极限。当发电机达到额定功率附近时，主控系统根据风速大小、风速变化频率、发电机转速、输出功率等，对变桨系统发出指令，通过反馈量控制桨距角，当风速加大时，执行收桨，减少对风能的吸收；风速减小时开桨，加强对风能的吸收。

3.4 超额定风速阶段的桨距调节

当风速高于最大发电风速一定时长或瞬时风速超过允许继续发电风速极值时，为确保风电机组自身与整个系统的安全，风电机组将执行停机命令，由运行转为停机，此时对应的风速为切出风速和瞬时最大停机风速，主控系统对变桨系统发出指令，变桨系统将叶片顺桨(一般在90°)，使风力机尽快降低风能吸收，顺桨后叶片平面扫风阻力具有制动效果，快速消耗风电机组叶轮等转动惯量动能，使发电机转速降低，当输出功率减小至零时，发电机侧断路器与电网断开，风电机组继续利用叶片平面扫风阻力实现安全停机，待风速满足许可后再启动并网。大风脱网停机中，有的机组在停机过程中，同时偏航90°，减少风能的吸收，实现快速停机并保障停机后的机组安全。

3.5 特殊情况下的桨距调节

如果风力机吸收能量大于阻力消耗能量时，会使转速不断升高造成飞车，飞车会引起风电机组载荷超过所能承受的极限而导致倒塔、着火等毁灭性事故，其损失惨重，影响恶劣。因此，风电机组设计时要能在特殊、极端与紧急情况下实现顺桨停机，是保证风电机组安全稳定的关键。

1)并网情况下的紧急停机。当影响安全运行事件(如振动超限、转速超速等)发生时，紧急停机激活，将触发安全链动作，主控制器或安全链对变桨系统发出紧急收桨指令，风电机组变桨系统执行快速收桨动作，减小吸收风能并形成叶片平面扫风的阻尼板作用，使发电机转速迅速下降，发电机向电网输出功率急速减少，当输出功率为零时，发电机侧断路器与电网断开，叶轮、发电机等转动惯量中储存的能量利用叶轮顺桨后的平面扫风阻力制动最终使转速接近为零，风电机组实现安全停机。

2)意外脱网情况下的紧急停机。当电网故障、集电线路故障、箱变故障、变流器故障等造成系统电压突然消失或发电机与电网断路器意外跳闸时，风电机组出现突然甩负荷，阻碍转速上升的电磁力矩消失，在风力作用下，如果不迅速收桨制动，将会造成转速异常快速上升，导致飞车倒塔、过负荷发热着火的严重后果。

此时，变桨系统失去系统电源，进入紧急停机程序，触发安全链动作，采用液压储能、超级电容或蓄电池供电方式驱动变桨电机紧急收桨，叶轮顺桨后形成平面扫风产生阻力制动，使风机快速停止转动。为确保在意外脱网情况下能实现紧急停机，风电机组设计时已考虑超级电容或蓄电池容量为能完成两次收桨；风电机组正常运行期间，每隔一定时间(如一周或发电运行168 h)进行一次收桨自检，通过后才能正常运行。紧急情况下，风电机组只要能收回两只桨叶，利用顺桨后形成的平面扫风阻力就能实现安全停机。

采用直驱永磁发电机的风电机组，脱网停机过程中所发出的电能由专门回路接通紧急停机电阻耗能组件，通过电阻组件消耗发电机发出的电能，防止系统电压因空载异常升高损坏电气元件。双馈风电机组因系统电源消失后无励磁电流，不会输出大量的电能，因此无需紧急停机耗能组件。

4 变桨距恒功率控制的思路与优化运行策略

由于自然界风速随机频繁变化，变桨距风电机组将运行在各个工况下，输出功率若仅仅通过桨距调节，存在滞后与功率输出波动频繁、发出的电能质量低等不利情况。因此恒功率控制的目的是为了提高电能质量、解决频繁桨距调节等问题。

4.1 变桨距功率控制的特点及新技术的采用

风电机组通过变桨距方式实现恒功率控制，其特点如下：

变桨距控制实质上是通过改变桨距角而改变风力方向与叶片的攻角来控制风力机的驱动转矩，因此风力机的气动特性是变桨距系统的主要特性。通过风力机气动特性可知，风力机的叶轮从风中吸收能量的能力曲线(用CP表示)如图2，与风力机叶轮叶尖速比和桨距角呈非线形函数[3]。从图2可以看出，转速从0升至A点达并网转速时，风电机组并入电网，并由发电机向电网输出功率B，称为转速提升并网阶段；转速没达到最大额定转速前，风力机吸收能量的能力CP为全开桨的最大值，转速持续上升，主控系统控制发电机励磁电流，使功率也跟着上升，转速提升超前于功率提升，至C点转速达到最大额定转速，称为恒CP阶段；之后，通过增加发电机励磁电流加大功率输出，增加发电机电磁转矩，控制转速不再提升，进入转速恒定功率提升阶段；当功率达到额定功率附近D时，变桨系统通过收桨，此时利用风电机组的转动惯量与发电机励磁电流调节保持功率输出恒定，转速则通过变桨与发电机励磁电流反馈进行动态调整，从而最大限度的利用风能量，此阶段为恒功率输出阶段。

图2 变桨距变速风电机组转速-功率关系

风电机组达到额定功率前，控制器将叶片桨距角置于0°附近，最大限度吸收风能不作调整，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整桨叶角度，将发电机输出功率限制在额定值附近。但是，随着目前并网风电机组容量不断增大，风机单只叶片重量已达数十吨，叶轮直径达200 m左右，要操作如此巨大的惯性体，并且响应速度要能跟得上随机变化的风速是相当困难的。事实上，如果没有其他措施，通过变桨距调节来达到调整输出功率仍然是无能为力的。因此，变桨距风电机组除了对桨叶进行桨距控制外，还通过控制发电机转子电流来调节发电机转差率[6]，使发电机转速在一定范围内能够快速响应风速的变化，并保持发电机输出功率基本不变，将瞬变的风能转换为转动惯能储存或释放，让输出功率曲线更加平稳。

4.2 额定功率前的运行优化策略

风机启动并网后，由于风速低于额定风速，发电机在额定功率以下低功率(欠功率)状态运行，早期的风电机组在本阶段不加控制，其功率输出取决于桨叶的气动性能。近年来，为改善超低风速时风力机桨叶气动性能，采用了根据风速大小、调整发电机转差率、使其尽量运行在最佳叶尖速比，达到充分吸收风能、优化功率输出的目的。其控制信号采用风速变化稳定的低频分量，对风速变化随机波动的高频分量并不响应。

4.3 额定功率状态下的运行优化策略

当风速达到额定风速并在切除风速范围内时，风电机组进入管理功率状态，在以前传统的变桨距风电机组控制方式中，将转速控制切换到功率控制，变桨距系统开始根据发电机的功率信号反馈，与给定的额定功率这一恒定值比较来控制桨距角，当功率超过额定功率时，桨叶桨距就向迎风面积减小的方向转动一个角度，反之亦反，如图3。

图3 变桨距风电机组控制

由于特大型机组叶轮巨大转动惯量和受变桨距系统响应速度的限制，对快速随机变化的风速，通过改变桨距来控制功率的效果并不理想。因此，新设计的变桨距风电机组在进行功率控制过程中，其功率反馈信号不再作为直接控制桨叶桨距的变量，而是采用变桨角度和发电机转速双控制。当随机风速产生的高频分量引起风力机转动机械能量波动，通过迅速改变发电机转子电流控制器对发电机转差率进行控制，用转速变化形成的转动惯量来应对风能量的波动，当风速突然升高时，为保持发电机输出功率恒定，通过减小励磁电流允许发电机转速升高，将瞬变的风能量以风轮转动惯量动能的形式储存起来；当阵风过后瞬时风速降低，同样通过对发电机转差率的逆控制，降低转速将动能释放出来，使风电机组始终运行在最优叶尖速比状态，达到理想的最优功率曲线，实现稳定输出功率和最大利用风能的目的。

5 结 语

本文根据风资源的特点，重点讨论分析了变桨距风力发电机组变桨与功率控制技术与策略，从充分利用风资源、输出稳定功率、安全启停机、恒功率运行等方面进行了阐述。随着新技术应用和风电装机在电网占比不断增大，对风力发电电能质量与控制技术提出新要求，除输出稳定功率外，要求风电机组具备有功/无功控制能力、高电压穿越能力和低电压穿越能力、电压和频率适应能力、风电场建模、一次调频等，使风资源更加安全、稳定、智能、智慧、高效的开发利用，将为我国实现“碳达峰、碳中和”双碳目标做出积极贡献。