风力发电技术与功率控制策略孙成龙

风力发电技术与功率控制策略孙成龙

孙成龙

（国华瑞丰（沾化）风力发电有限公司256800）

摘要：当前越来越多的人认识到了风能重要性，也不断的加强了对于风电技术的研发和改进，未来风力发电技术的建造成本将会逐渐降低，并且将会渐渐的向海上转移。在风力发电推广的过程中，想要不短的增加风力发电的规模，就需要不短的对风力发电技术进行不断的改进和完善，以此来提高风力发电的效率。在对风力发电机的功率进行控制的过程中，相应的技术人员需要对风力发电机实际的工作环境进行考察，对风力发电机组的内部结构进行不断的优化和改进，从而有效的提高风力发电设备的稳定性和高效性。

关键词：风力发电；功率控制技术；研究

1风力发电技术的基本发电原理

风力发电主要把风能转化为机械能为基础发电的，而后在将转化而来的机械能变成电力动能。在实际工作过程中，风力将风车扇叶带动旋转，旋转的过程中利用增速机加快扇叶的旋转速度，从而有效的促使发电机进行发电。而在风力发电过程中所使用的设备装置统一称为风力发电机组，而此发电机组又可以细致划分为风轮、发电机和塔架三个部分。其中把风能转化为机械能最主要依靠的就是风轮装置，主要由两片或两片以上的螺旋桨形状的桨叶构成。当桨叶受到风的作用时，在桨叶上产生气动力来促使风轮的转动。为了确保风轮在工作过程中始终对准风向以获得最大的功率，在实际使用的过程中需要在风轮后安装一个类似于风向标的尾舵。风力发电机的塔架就是一个支撑整个风轮、尾舵和发电机的构架。在设置铁塔的高度时，需要对实际环境中地面障碍物对风速的影响情况和扇叶实际直径的大小进行综合考量，以确保设置塔架的高度符合风力发电机实际工作的要求。发电机最主要的作用就是在风轮受到风的作用而产生恒定转速之后，再由升速机将其传递给发电机匀速运转，最终由发电机将机械能转变为电能。一般小型的风力发电系统都具有较高的发电效率，但是这类发电机不仅只是由一个发电机头构成，是一个具备一定科技水平的系统，系统内包括发电机和变流器。一般风力发电机都是由机头、转体、尾翼、叶片这几个结构组成，这几个部分每个都有其作用。风力发电机的叶片主要受到风力的作用，并且通过机头将其转化为电能，发电机的尾翼能够与确保扇叶始终对着风向以获得风最大的作用力，风力发电机的转体为尾翼的正常工作提供了保障，通常转子所使用的都是永磁体或者励磁体，通过定子绕阻切割磁力线最终产生电能。

2风力发电工程技术的应用

风力发电可以和太阳能发电、水力发电技术相结合使用，通过能源供电的组合进行合理配置，以得到较稳定的电力供给，为了降低发电成本，将从以下几方面谈一种复合的供电组合。

2.1风力发电在太阳能发电中的应用

在我国冬季太阳能辐射小。风比较大;而到了夏季，风较小，太阳辐射强。再结合我国的气候类型和地形因素，可以得到适合在我国将风能和太阳能互补发电，在很多地区将实现这一应用，很多有优势的因素决定了这一应用，为区域的稳定供电提供了保障。

2.2风力发电在水力发电中的应用

在风力发电中会出现一些不稳定因素，但是将风力发电和水力发电相结合互补，将提供稳定的电能供应，通过水利发电装置，为稳定供电提供保障。然而当水利蓄能不足时，也可以通过风力发电弥补水利发电的不足，提供电能。结合相关条件，可以实现风能和水能的互补功能。

2.3风力发电在燃气发电中的应用

风能发电中的供电系统或者燃气发电中的系统一旦出现问题，另一种供电系统可以提供能量供应，实现电能的互补。这样就可以避免出现断电的现象，在现实应用中，就可以为用电户提供稳定的电力供应，风力发电和燃气轮机发电之间的互补系统得到了很好的应用。

3风力发电功率控制技术发展

3.1控制发电机功率的方法

3.1.1控制发电机功率的原理

对于风力发电机功率的控制原理较为简单，其最基本的内容就是在受到一定风力的作用下，有效的控制整个风力机组的输出功率。在风速的变化在一个稳定的范围内时，对其进行变速控制，并且建立相应的数据分析曲线，从中选择一个最合适的功率曲线，从而得到一个最大的功率数值。当风速十分不稳定时，可以调节风力发电机的桨距，调整桨叶和桨距角之间的距离，以确保输出的额定功率不会改变。

3.1.2实际功率控制的工作流程

在进行风力发电的功率控制过程中，使用最多的手段就是变桨控制。在实际使用这种方法的过程中，先对风力发电机阻的整个控制系统进行优化，通过桨距来进行风速大小的判断。当风速过于小时，风力发电机组不会做出调整，当切入时的风速与发电机组的额定风速之间存在差别时，发电机的变速装置就会传感器发送一个信号，从而对发电机的功率进行有效的调节。风力发电机的功率控制最主要的就是建立一个完整的内部控制系统，设置一定的额定功率对实际的发电功率进行有效的调节。

3.2风力发电机与相关电力电子变换器控制技术

3.2.1风力发电机控制技术

风力是风力发电的能量来源，由于风力在距地面位置较高处更大，因此能量转化需在高空完成。发电机及其相关设备应当尽可能提高其工作效率，并减轻其重量。永磁发电机具有损耗小、效率高等优点，在风力发电系统中有着广泛应用。目前可采取模块化方式进行发电机制造，以此实现制作成本的降低。除此之外，在控制风力发电系统中的发电机时，通常采取矢量控制方法，该方法能够实现直轴电流以及交轴电流二者的耦合解除，由此降低系统功率因数的控制难度。

3.2.2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。

3.3风能发电中的谐波消除与无功功率补偿

3.3.1谐波消除

在风机发电过程中，谐波的存在会降低电能整体质量，导致电的频率、电压等受到影响，破坏无功功率和有功功率之间的平衡性，因此必须将谐波的存在尽量消除。在实际运行阶段，谐波对风能发电的影响包括以下方面：增加发电机铁损、铜损，导致发电机出现超同步谐振；在电力设备运行过程中，谐波可能会引发设备热故障，导致系统正常运行受到干扰；导致控制电路及保护系统出现无动作，影响传感器的准确性；损坏电子设备，带来较大的经济损失。谐波消除方法包括下列几点：首先，利用电力变流器等电力设备，使其相位和谐波相互抵消；其次，谐波会导致无功功率增加，对电容器组进行合理调整，以此实现无功功率的改变，降低谐波对其影响；最后，采用三角形连接方式进行连接，将谐波进入量尽可能减小。此外，还可以根据实际情况进行滤波器的加设。

3.3.2无功功率补偿

受感性元件影响，电力系统中的无功功率会产生消耗现象。当电压通过感性元件时，由于仅仅是无功功率出现消耗，感性元件两端的电压不会产生变化，如果存在较高电压，感性元件会有大电流通过，可能会损坏元件设备。这种情况下，应当对风力发电系统进行无功功率补偿，对谐波作用进行抑制。电容投切法在无功功率补偿中有着广泛应用，但是该方法也存在一定缺点，例如：如果在相同时间内投入的电容容量过大，会导致电压波动产生。

3.4风轮控制技术

要想风力发电系统的转化率达到最高，必须尽可能降低风能在获取过程中的消耗量，就风轮而言，其控制技术主要做好叶尖速比控制，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。

结束语

随着技术的不断发展，人们对风力发电的需求逐渐增加，其应用也越来越广泛，经过几千年的发展，已经改变了传统的发电模式，风力发电已成为一种最好的模式。但是相应的风力发电技术也应该同步提高，以提供更好的技术支持，在我国已经具备风力发电的环境，随着技术的不断发展，我国的风力发电得到了快速发展，逐渐推动者世界的发展。

参考文献

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