风力发电技术与功率控制策略分析吴林剑

风力发电技术与功率控制策略分析吴林剑

吴林剑

中广核风电有限公司中广核（福建）风力发电有限公司350001

摘要：风力发电在我国的电力事业中被广泛的应用，风力发电具有环保、安全、节能的体征，符合我国现代的可持续发展的方针。在风力发电技术中对于功率的控制尤为主要。本文通过风力发电技术的运行特征以及功率控制方面进行以下分析，以期对我国的风力发电行业起到参考作用。

关键词：风力发电技术；功率控制；分析与策略

传统的风力发电技术开发的成本高，对于周围环境的污染严重，而且发电的能源不可再生，极大地消耗了人力、物力、财力。而风力发电技术的使用改善了传统发电技术中的不足，在现在发电技术中受到广泛的关注。人们对于电量的使用在逐渐的增加，这给风力发电事业带来了更大的挑战。风力发电需要控制风速、风向标与输出功率等因素，需要风力发电的技术人员具有较强的专业性与综合能力。

一、风力发电技术及其相关运行特性分析

风力发电技术是新时期下开发成本较低，且具有环保、安全和可再生等特点的新型能源技术。从其发展态势来看，当前风力发电技术主要经历了小容量到大容量、陆上风电到海上风电、定桨距到变桨及变速恒频，以及有齿轮箱到无齿轮箱等四个发展阶段。风力发电在对于新时代的发展意义重大，无论从节能环保的方面，还是从发展的形态中考虑，都具有无法替代的作用。人们需要加强对于风力发电的认识，对于风力发电事业有一个全新的了解。

二、风力发电技术发展态势

1、小容量向大容量发展

风电机组单机容量大型化趋势，目前主流机型都在1MW以上，单机容量最大达到5MW，美国已经研制成功7MW风力发电机，而英国正在研制10MW的巨型风力发电机。预言到2020年，将会有20MW、30MW乃至40MW的风力发电机面世，风力发电机的制造将由制造机器转变为建造发电站。

2、陆上风电向海上风电发展

海上风力发电与陆地上的风力发电机理大致相同，但将风电场建在海上，不仅解决了占用陆地土地资源的问题，同时，利用海上得天独厚的广阔空间和丰富的风力资源（为陆上的三倍），可以进行批量、规模化生产，从而降低风力发电的成本。许多国家都制订了大规模开发利用海上风能计划。如，2002年欧盟提出的目标是：到2010年风力发电装机达到4.0×1010W，其中海上风力发电达到5.0×109W；2020年风力发电装机达到1.5×1011W，其中海上风力发电达到5.0×1010W；要求风力发电装机占整个欧盟发电装机的15%以上。

3、定桨矩向变桨、变速恒频发展

变速运行与恒速运行的风力发电机组相比，可以按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时地调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上，具有减少机组机械应力、增加风能捕获、对风速变化的适应性好、生产成本低、效率高等优点。德国的Enercon公司、丹麦的Vestas公司生产的变速风电机组数量处于世界领先位置。

4、有齿轮箱向无齿轮箱（直驱式）发展

无齿轮箱直驱式永磁风力发电机取消了工作要求高、加工难度大、沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连接到叶轮轴上，转子的转速随风速而改变，输出交流电的频率也随之变化，需要经过大功率电力电子变换器，将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变输出与电网同频率的交流电，具有系统效率高、可靠的特点。

5、优化电机组件的设计在不断的发展

风力发电技术的不断进步，使得我国风力发电事业的发展越来越快，也取得了明显的成绩。但是在技术商业化的进程中，无法保证风力发电的发电机使用的寿命，因此需要对发电机组建进行改进，优化电机组件的设计技术，需用优质的部件与材料，改进风力电机的重量，增加其使用的寿命，较少机器运作中的负荷。

三、风力发电技术的功率控制策略分析

1、风速控制的基本原理

在风速发生变化时，采用控制风速风力机输出功率的方法，进行对风速的功率控制，以求获取最佳的功率值，获得风速发电技术中最大的功率值。当定额风速与切出风速发生变化时，采用调节桨距角的方法，保持风力发电功率保持不变。这种方法可以有效地提高风力机对于风速的控制情况，对于风力风速发生变化时，采取不能得措施，进行有效的解决，保证了风力发电工作的正常运行。在切入风速与额定风速之间的风速发生变化的情况下，通过控制变速来对最佳功率曲线进行追踪，以实现最大功率的获取。在切出风速与额定风速之间的风速发生变化的情况下，通过控制变桨距来对桨叶桨距的角度变化进行调节，以确保额定功率恒定。实行风速控制策略，能够按照风速的实际大小，选取相应的控制方式，不但能够提高风力机的最大输出功率，同时，还能够促使发电机组风能利用效率的有效提高，为风力机的稳定、可靠运行提供了重要保障。

2、风速控制的具体流程

对于风速的变化制定出有效的方案。在风力发电过程中，会遇到风力发电机组并网、风速小于切入风速以及风速在切入风速与额定风速之间变化的情况，专业的风力发电技术人员需要对各种变量进行有效的解决，以保证风力发电的功率在正常的范围内。

在采用变桨控制风速时，一般可通过以下步骤进行。首先，应在风力发电机组成功并网时，对整个系统进行初始化，并将桨距角β初始值设定为0，对此时风速大小进行判断。其次，判断风速与切入风速数值，若风速≥切入风速，则风力机开始动作。此时分三种情况考虑：一是在切入风速与额定风速之间的风速发生变化的情况下，确定采用变速控制的方式进行，可结合转速信号（由转速传感器测定）与驱动信号（由DSP控制器发出），经齿轮箱对发电机转速进行调节，并与发电机转速给定值进行比较，由此形成一个可用于追踪最佳功率曲线变化的闭环反馈自动控制系统。实现对最佳风能系数的获取，此时CP-max=CP（λopt，0）；进而可通过Pt=1/2ρπR2CP

（λopt，0）λ3完成对最大功率的获取。二是在额定风速＜风速＜切出风速的情况下，停止运行变速控制器，变桨距控制器则开始动作，并结合功率信号及其给定值进行比较，通过DSP控制器发出驱动信号，由此促使液压变桨距机构开始动作，并完成对桨叶桨距角幅度变化的调节[CP（λ，0）]，由此形成一个闭环反馈自动控制系统。最后，对风速＞切出风速进行考虑。在此环节中，开始运行风力机液压刹车机构，并对风力机进行工作终止，完成切出电网步骤。其中，λopt表示最优尖速比；ω表示发电机角速度；ω*表示发电机角速度给定值；P*表示功率给定值；β表示桨距角。

结语：在社会经济不断发展的形势下，对于风能、水能、太阳能的利用也在不断的增加。对于风能的利用已经不再局限于发电的项目中，风力发电的技术不断的向专业化迈进。利用风能进行发电，降低了发电的成本，为发电企业创造了最大化的利益，为国家节约了能源，风力发电对于我国的可持续发展具有积极重要的意义。

参考文献：

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[3]浅谈风力发电技术发展现状及趋势[J].魏超.科技创新与应用.2012（23）

[4]风力发电技术的发展方向和特点[J].杨莉.农村电气化.2007（03）

[5]小功率风力发电技术在油田生产中的应用及效益分析[J].朱益飞.电力需求侧管理.2010（05）