风力发电及其控制技术初探王文杰关立新

风力发电及其控制技术初探王文杰关立新

王文杰关立新

国家电投内蒙古公司蒙东协合新能源有限公司内蒙古通辽028011

摘要：随着人类社会的不断进步与发展,能源过度消耗和环境污染等问题也变得越来越严重。作为常规能源的天然气、石油、煤炭属于不可再生能源,储备有限,使用过程中还会有严重的大气污染。因此,可再生能源的开发利用越来越受到世界各国的重视。随着国家新能源发展战略的实施,我国风电产业已经迈入跨越式发展阶段。风电有着可再生、能量大、无污染等特点,同时我国风能储备量大,分布广泛,有着非常大的开发潜力,所以发展风电能源已经成为一种必然趋势。

关键词：风力发电；控制；技术

一、风力发电系统控制的必要性

自然风会在速度大小以及方向上产生随机变化,因此,有效控制发电系统具有重要意义,包括控制机组的切入与切出电网、限制输出功率、检测风轮在运行过程中的故障并加以保护等。从定桨距恒速运行技术到变桨距变速运行技术,风力发电系统的控制技术在近年来得到了很大发展,已经达到基本供电目标。就风力发电机组而言,其重要技术之一就是调节机组功率,其调节方法主要有三种,即主动失速调节、定桨距失速调节以及变桨距调节等。目前,风力发电机组已经实现了变桨距变速运行,利用风速、风向变化,风力发电控制系统不仅可对机组实现并网、脱网和调向控制,还能利用变距系统有效控制机组的功率及转速,实现风力发电机组运行安全、速度的有效提升,大大促进了电力行业发展。

二、风力发电控制技术分析

（一）风轮控制技术

（1）叶尖速比控制

在风力作用下,风轮的风叶尖端的转动线速度就叫做叶尖速。而叶尖速比就是指叶尖速和该时间段风速的比值。叶尖速比控制方法就是通过对叶尖速比值进行有效控制,以此优化风机系统。考虑到风速不同,并在此基础上确定最佳叶尖速比,由于无法调节和控制自然风的速度、风力大小,因此,要想实现控制功能,必须对叶尖速进行调整和改变,包括对风轮转矩进行调整,以此调节风轮最外边缘的速度,从而优化叶尖速比。

（2）功率信号反馈控制

通过该方法来控制风轮的功率信号。在风轮运行过程中,其功率会随着条件的改变而改变,这是功率信号反馈控制方法的应用基础。通过分析功率关系进行最大功率曲线的绘制,在此基础上进行后续操作。在具体实践过程中,将最大功率和进行系统实际输出功率分析比较,获得二者差值,然后据此调整风轮桨矩,确保风轮运行功率达到最大。这一方法可以有效降低控制成本,但是值得注意的是,在风机日常运行过程中,最大功率曲线的获取是一项技术难题。

（3）爬山搜索控制

通过该方法对风机的功率点进行控制,其图像形似抛物线,最高处即为最大功率点。如果对当前工作点位置不能确定,可适当增加风轮转动速度,以此改变系统输出的直流功率,当系统输出的直流功率加大时,最高点在抛物线左侧,反之在右侧。利用该方法能够将最大功率点及时找出,在此基础上确定风轮转速。然而,如果风轮在转动时存在较大惯量,其转速很难改变,这是该方法的主要缺点。

（二）变速恒频发电系统

简单来说，该系统的控制方式就是风力机采取变速运行的模式，发电机的转速随风速变化而变化，但可以通过电力电子变换装置得到恒频电能。根据贝兹理论，理想情况下风能所能转换成动能的极限比值为16/27约为59%。恒速恒频发电系统的所采用的风力发电机只能固定在某一转速上，但是风能具有一定的随机性，其能效会受周围环境的影响而变化，所以风力机必定会偏离最佳速度，这就必然会在一定程度上降低发电效率，而变速恒频发电系统就能够在风速变化的条件下，来适当调节转速，从而让其一直保持着在理想的转速下运行，确保发电效率。变速恒频发电系统是目前主流的风力发电机组控制系统，对于风力发电系统而语言，风力发电机组应该尽可能的确保能量转换效率，而变速恒频发电系统主要通过控制电机转矩，来实现高效率的能源转换。

（三）电力电子变换器控制技术

在风力发电系统中,其电力电子变换器必须具备下列特征:具有较广的使用面,能够在大型风力发电系统中得到高效应用;在对风能进行转换时,具有较高的能量转换率,在转换完成后,还要具有较高的传输效率;能够对无功功率进行有效条件,实现功率因素的改善;具有较高的可靠性和安全性能。在确保运行效率较高的同时,具有大范围功率;设备成本不高,经济合理等。在风电系统中使用PWM整流器,可以对系统最大功率进行有效控制。在使用整流器时,采取矢量控制方式能够将有功功率与无功功率之间的耦合解除,确保得到的无功功率满足运行要求。除此之外,PWM整流器还能确保有功功率的输出量达到最大,通过对直流环节进行设置,从而有效调节风电系统的无功功率和有功功率。

（四）双馈发电变速恒频系统

双馈发电变速恒频系统是使用双馈绕线式发电机的风力发电机组，所谓双馈，指的是双端口馈电，定子和转子可同时发电，互相切割磁感线。通常来说，双馈电机必须配合变频器使用，变频器给双馈电机转子施加转差频率电流，起到励磁的作用，有效调节励磁电流的相位、频率、幅值，实现稳定的定子恒频输出。在风力发电系统中，无论风力作出什么样的变化，当电机转速改变的时候，利用变频器就可调整旋转速度，从而让电机的转速和风速之中保持同步（转子励磁电流改变转子磁势）。该系统主要是依靠转子侧来实现的，通过转子电路的功率由交流励磁发电机转速运行来决定，所以该系统的成本较低，设计较为简便，且后期的维护也十分便捷。另外，该系统还能吸收更多无功功率，可有效解决电压升高的弊端，从而有效提升电网运作效率，保障电能换换质量以及稳定性。

三、风力发电机组控制策略发展

风能能量密度低,稳定性差,在风向和风速方面存在有随机性变化的特点。风力机叶片功角在转动过程中不断变化,叶尖速比逐渐偏离最佳值,风力机输入到转动链功率也会相应发生变化,风电系统发电效率受到影响。转矩传动链振荡,影响到接入电网的电能质量,如果接入小电网,甚至会对电网稳定性带来冲击。风力发电机组一般选择柔性部件,内部机械应力会有明显减少,风电系统动态更为复杂。

目前,依据控制器类型的不同,风力发电机控制策略方面的研究一般有两种形式:一种是传统控制方法,即线性控制方法,通过对桨叶节距角以及发电机电磁转矩的调整,叶尖速比始终处于最佳值,能够最大限度捕获风能,但是对于变化速度过快的风速,其调节作用相对较为滞后,存在有较多不确定性因素、工作范围大、随机扰动大,很难取得理想的应用效果。另一种是现代控制方法,包含智能控制、结构控制、自适应控制等,其中结构控制在实际应用中有着非常快的响应速度,设计简单,参数变化敏感性低,在风电系统领域有着非常广泛的应用;鲁棒控制在实际应用中能够实现对多变量问题的有效处理,使干扰位置系统、参数不准确、建模误差等方面问题得到解决;在智能控制方面,模糊控制属于其中一种典型类型,这种控制能够利用语言规则替代专家知识经验,提高控制有效性,克服非线性因素影响。风力发电机准确数字模型建立存在非常大的难度,而模糊控制有着非常好的应用效果,当前受到的重视度越来越高。人工神经网络主要利用工程技术手段等,构成各类不同拓扑结构神经网络,与生物神经网络较为类似,在风力机低风速节距控制方面有着非常好的应用效果。

四、结论

如今,我国的风力发电产业在逐步提升,但是,仍然还有许许多多的问题等着被解决。一些风力发电企业,在不断探索创新的过程中,许多的不了,数据,代码等无法满足,这就要进口大量外国技术。不仅在风力发电机的控制系统方面,还是在制造方面,都要从外国购买很多的所需品。此外,一些重要的零部件,我国风力发电技术还达不到别的国家的程度,其规范性也达不到要求,我国的零部件的质量还不够好,寿命也不是很长。我们发展风电产业,就要引进外国先进的技术,汲取外国先进技术,融入到已有的基础之上,不断创新,使其更规范化,投入大量资金,建立健全相关政策。

参考文献：

[1]张扬.风力发电技术概述[J].信息记录材料,2017(6):9-10.

[2]赵阳阳,杨秀敏,王森.风力发电系统机械变频控制技术[J].微电机,2017(9):59-62.