关于风力发电机及风力发电控制技术分析

关于风力发电机及风力发电控制技术分析

夏存杰

大唐（赤峰）新能源有限公司 内蒙古赤峰 024000

摘要：风力作为一种清洁资源，潜能巨大，充分利用风力发电，造福人类意义重大，但风力发电也有稳定性不足的限制，如何将风力有效的转化成电力，成为一直以来研究的课题。本文将首先介绍风力发电机的构成与类型与发电原理，其次分析风力发电的控制和调整技术，以作参考。

关键词：风力发电机；风力发电控制技术

引言：

在不可再生资源日益枯竭的今天，将更多目光投入到太阳能或风能等清洁、可再生能源上，意义重大。风力发电机通过将风能转化为机械能，再切割磁感线转化为电能，但如何最大效率采集风能，如何稳定输出电能仍是风力发电的瓶颈，此即为本文探究的目的。

一、风力发电机

（一）风力发电机的原理

其实原理较为简单，用最简单的话来说就是利用风力带动风车叶片旋转，产生机械能，机械能带动转子运动，电机旋转切割磁感线再转化为电能。大致的产电原理只是一句话的事，不过其内在的机械原理却较多，下面将详细分析。

（二）风力发电机的构成

如下图1所示，其构成通常有转子、叶片、机舱、轴心、定子、变桨机构、电机、偏航装置、控制柜等。

图1.风力发电机的基本构成

（三）按照采风方式划分

按照采风的方式可以将其分为1.水平轴风力发电机，2.垂直轴风力发电机两种，如下图2、3所示。而水平轴的风力发电机又可以分为升力型和阻力型两类，简单区分即是带动以及推动的区别。水平轴风力发电机通常都有偏航装置，测试风的方向并调节机舱使其总能迎着风。

图2.水平轴风力发电机

图3.垂直轴风力发电机

（三）按照风力发电的运行特征划分

这一点与采风关系不大，更多的是偏向电机的运转，同时也分为老式与新式的区别，老式的、传统的风力发电机包括有：

1.恒速风力发电机：也叫笼型异步发电机，电压稳定性较差，采集风能的效率不足，发电效率不足，逐渐被淘汰，如图4所示。

2.有限变速风力发电机：其原理是绕线式异步发电机，以提高动态性能，提高电能输出的功率稳定性，如图5所示。

3.变速风力发电机：3.1有刷双馈异步发电机；3.2电励磁同步发电机；3.3永磁同步发电机，原理如图6、图7、图8所示。

图4.恒速风速发电机

图5.绕线异步发电机

图6.双馈异步发电机

图7.电励磁同步

图8.永磁同步发电机

而随着科技的进步，新型的风力发电机比如无刷双馈异步发电机、永磁无刷同步发电机和永磁同步发电机等，运行发电效率更高，发电效率更加稳定^[2]。

二、风力发电控制技术

风力发电不被视为传统常规电源，就是在于风力的不可控性，风力发电的稳定性不足，如何将风力有效的转化成电力，成为一直以来研究的课题，这也就是风力发电控制的目的和价值，而通常调节风力发电的原理和措施，无外乎通过变桨、偏航、变功率柜来调节。

（一）定桨距失速风力发电技术

“定浆距”简单来说就是风车叶片的形态与轮载的连接是固定的，无法通过变桨和偏航来调节叶片的角度，迎风角度只会随着风向的变化而变化，“失速”是一种复杂的空气动力学过程，风车叶片在面对风速较大的情况时，气流攻角增大到失速条件，会在风车叶片表面形成涡流，在背风面形成絮流，降低了风力采集的效率，限制了风力产电的功率，但发电会保持整体相对稳定的状态^[3]。

此技术的优缺点都很明显，优点是造价便宜，并且失速调节较为简单，可以应对很多风速情况，只是利用叶片的被动失速调节而不用做其他的控制。那么缺点也随之而来，首先，风车的叶片较重（相对变桨距风力发电机来说），对风力发电机其他零部件会产生不同程度磨损，其次，风力发电机只是被动失速控制，虽然能应付大多数情况，但精度却不高，最后，风力发电机无法达到最大程度的能量获取，被动失速其实是失去和抵消风能的控制系统，失去了采集风能的最初意义，也因此，此技术大多用在小型风力发电机上，很少在大型风力发电机组上运行。

（二）变桨距风力发电技术

“变桨距”顾名思义就是改变叶轮的形态（桨距角），使叶轮垂直投影改变，具体来说就是如果定义叶片与地面垂直时为0°，水平时为90°，那么90至0°叫做开桨，反之叫做顺桨，风力发电机的输出功率随着风速增加而增加，风速在3-8m左右时叶片是完全展开的；当风速超过8m时（部分机组可能会10m左右才开始变桨），当叶片顺桨，整体叶片受力减少，风机载荷也减小，但是输出功率因为风速的原因并不会减少，因此能保证额定的输出功率，风机在20m左右时会完全顺桨，同时风机停止运行，并进行偏航保证机组载荷最小。目的是在额定风速前捕获更多的能量，就要使得叶尖速比维持在一个最佳的状态，优化输出功率。

变桨距风力发电技术的优缺点也很明显，优点是能够自主调节，根据风速的变化完成自主调节，调节有一定难度但技术完全可以实现，叶片的受力较小，因此能够更加灵活精巧，也能够最大程度完成能量转化，并且在高风段还能保持功率的稳定性。不过缺点也有，比如变桨结构复杂，花费更大，当风速过大时，如果风机桨叶不收回对整个风机的载荷会非常大，严重者导致严重损坏或报销。

（三）主动失速技术

通过上述两点的阐述，相信对“变桨距”以及“失速”已经有所了解，而主动失速调节性技术，就是将上述两种调节控制技术融合的技术，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，利用“变速+变桨”，使得在额定风速前捕获更多的风能，使得叶尖速比维持在一个固定的值，同时能具有变速和变桨的优点，使得控制起来更灵活，效率更好^[4]。

三、结束语

综上所述，上文先分析了风力发电机的构成以及发电的过程，再按照采风方式的分类以及按照发电特征的分类，其次介绍了风力控制的原理和相应的技术分析，通过良好的控制和调节，能够最大程度收集风能，并保持相对稳定的发电能力。风力发电领域有非常广泛的发展前景与应用面，而随着科技的进步，相信其会越来越好，值得期待。

参考文献

[1]魏宪华.关于风力发电技术与功率控制策略的研究分析[J].《湖南农机：学术版》,2013:99-100.

[2]赵朝锋.风力发电机及风力发电控制技术综述[J].《低碳世界》,2015:58-59.

[3]胡琴洪.关于风力发电机及风力发电控制技术分析[J].丝路视野,2018: 169-169.

[4]石海滨.关于风力发电机及风力发电控制技术分析[J].民营科技,2017:70-70.