风力发电系统运行控制方法
技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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
[0006] 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。
[0007] 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:
[0008] 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;
[0009] 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;
[0010] 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。
[0011] 优选地,包括以下步骤:
[0012] 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;
[0013] 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。
[0014] 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
[0015] 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;
[0016] 图2是图1所述风轮叶片的工作原理图;
[0017] 图3是图1所述风轮叶片一较优实施例的结构示意图;
[0018] 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
[0019] 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。
[0020] 下面结合附图与实施例具体说明。
[0021] 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:
[0022] 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,
[0023] 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Cp值,增加风机全年发电功率。
[0024] 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。
[0025] 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)。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029]
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。
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032]
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。
[0033] 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。
[0034] 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,Cp为风轮利用系数,ρ为空气
密度,Vr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:
[0035]
[0036] 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。
[0037] 请参见图2,该图是图1所述风轮叶片的工作原理图。图中,rout为风轮叶片外圆半径,rout-max和rout-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;rin为风轮叶片内圆半径,rin-max和rin-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,rm为风轮叶片伸缩中心半径。以上变量存在以下关系:
[0038] rm=(rout_max+rin_min)/2=(rout_min+rin_max)/2(2)
[0039] 由此,确定风机额定功率P、额定风速Vr后,就可根据公式(1)、公式(2)设计风轮叶片的有关参数。
[0040] 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。
[0041] 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rm、rout-max、rout-min、rin-max和rin-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。
[0042] 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Cp值,增加风机全年发电功率。
[0043] 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。
[0044] 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。
[0045] 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。
[0046] 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。
[0047] 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。
[0048] 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。
[0049] 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。
[0050] 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。
[0051] 以下对本发明风力发电系统运行控制方法进行说明。
[0052] 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。
[0053] S401、获取风电场的当前风速。
[0054] 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。
[0055] S402、判断当前风速是否大于切入风速且小于切出风速,
[0056] 若是,进入步骤S403;
[0057] 若否,进入步骤S408。
[0058] S403、判断当前风速是否小于额定风速,
[0059] 若是,进入步骤S404;
[0060] 若否,进入步骤S406;
[0061] S404、将叶片伸展到最大长度。
[0062] 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。
[0063] S405、开启辅助发电装置,并返回步骤401。
[0064] 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。
[0065] S406、收缩叶片并变桨。
[0066] 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。
[0067] S407、关闭辅助发电装置,并返回步骤401。
[0068] 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。
[0069] S408、叶片顺桨并收缩到最短,停止并网发电。
[0070] 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。
[0071] 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。
[0072] 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。