风力发电技术与功率控制策略

风力发电技术与功率控制策略

陈涛

辽宁龙源新能源发展有限公司      辽宁省沈阳市     110141

摘要：随着社会经济的快速发展，人们对能源需求与日俱增，传统能源供给面临巨大压力。风力发电技术的出现大幅缓解了社会生产对能源的需求，通过使用风力发电技术和功率控制，有效提高了风力发电机组风能的利用率。基于此，本文重点分析了风力发电技术与功率控制策略。

关键词：风力发电技术；功率控制；策略

风力发电在20世纪首次被研究，随着人们不断探索研究，通过飞机旋翼技术在航空领域的研究，研制出一种小型风力发电设备，该设备一研究出来就在一些风力较强岛屿上广泛使用。随着这项技术的不断完善，风力发电技术也得到了广泛推广及应用。

一、风力发电技术概述

1、工作原理。风力发电技术是指将风能通过风力发电机转化为电能的技术。风力发电过程是把风能经由机械能转换为电能的过程，风能转化为机械能的过程由风轮实现，机械能转化为电能的过程由风力发电机及其控制系统实现。在此过程中，风力发电机组大多为水平轴式风力发电机，其由多个部件组成，包括叶片、轮毂、增速齿轮箱、发电机、主轴、偏航装置、控制系统、塔架等。

2、特点。跟其他发电方式相比，风力发电具有独特的特点。①可再生特点。风力发电是利用自然界中的风力，而风的形成由周围空气温度不同形成，因此属于一种可再生能源。②风力发电技术在基础设施建设方面相对更简单，能在短时间内完成相应的基础设施建设。③在操作方面较简单，而且所消耗成本低，所以受到了人们的青睐。

二、风力发电技术的现状

近年来，随着科技的不断进步，风力发电技术的应用越来越广泛。风力发电应用原理：通过风能设备，将由温差引起的空气流动转变为电能。具体来讲，是利用风能驱动风车叶片转动，而叶片转轴与增速器连接，促进转速提升，将动能转化为机械能，带动发电机发电。风力发电特征为：风力发电技术的装机规模逐年加大，风力发电应用比重呈逐年增加趋势；风力发电机功率不断增加；海边风力发电产业逐渐商业化。海上风力发电干扰因素少，风速高且稳定，发电量可观。可用发电机组有效进行风力发电；风力发电前期投入高，但运营费用较低。纵观全球，风力涡轮市场发展速度较快，风力发电已在发电产业中占有不容忽视的地位。目前，市面上的风力涡轮的设计技术存在较大差异，主要体现在发电系统与风力涡轮的结合方式上。通过风速提高电机转速，促进风能利用率最大化，保证有功、无功功率均处于可控状态。

三、风力发电功率控制策略

1、变桨距控制。变桨距主要进行桨距角调节，在风电机组中，主动控制桨距角能克服其被动失速调节的影响。传统定桨距发电机中，其叶片位置是固定的，在风速变化情况下会使浆叶出现变化。当前，定桨距发电机中面临的问题包括：一方面是风速高于风速测定中功率控制，另一方面是在紧急关闭风力发电机时其安全性、性能方面的问题。当前，这些问题得到一定程度的改善，对变桨距的研究是当前的工作重点。这种发电机是一种非刚性的连接方式，能调节叶片，风的方向不同时能及时调整。在变化频率较快情况下，叶片可保持最佳角度和输出功率。在风速高于切出风速时，会使发电机工作及时停止，防止对设备造成损害。当前我国风电企业中，大型发电机组采用这一技术保证了运行的稳定性。

2、偏航控制。偏航控制系统是风力发电机控制系统重要组成的一部分。一般由偏航轴承、偏航制动器、偏航驱动装置、偏航基数器、偏航液压回路、扭缆保护等组成，用以实现与风力发电机组的控制系统配合，促使风轮始终处于迎风状态，不仅能提高发电效率，还能保障机组运行中的安全性。

偏航控制主要可分为两类：被动、主动迎风偏航系统。第一种适用于小型发电机组或独立发电机组，其尾舵控制在风向变化时被动迎风；第二种多用于大型并网型风力发电机组。由于风向实时变化，所以应不断转动机舱使风轮正面受风，保障风能捕获率。

3、风力发电机控制功率。由于风力涡轮机的构造越来越大,用于构建大型风力涡轮机的大多数发电机是双馈异步风力涡轮机。在风力发电机结构中,定子绕组连接到工频电网,转子绕组能调节频率相位、幅度、相序。内部应用的变流器是交直交变流器。双馈异步发电机可确保风力涡轮机即使在使用期间风速不同时也能正常使用。而且发电机的转速还可根据风速改变不断调节,使风力发电机的机组运行始终处于最佳状态,风能的使用效率得到了极大提高。而且在输出发电过程中,能实时控制馈入转子绕组的电流参数,从而实现恒定的电压和频率,并提高风力发电系统的稳定性。通过风力发电机对风力发电过程中的无人机运转功略及输出功率进行全面控制,提高对输出及发电的安全性,增加风电机组运行安全性与稳定性,提高风力发电经济、社会效益。

四、风力发电技术的发展趋势

1、容量将得到扩大。当前，风电机组的单机容量由小容量向大容量发展，当前主流机型一般在1MW以上，其单机容量可达到5 MW，美国研制风力发电机可达到7 MW。在未来，将会出现20MW、30MW甚至更大容量的风力发电机，制造业将从制造机器向建造发电站发展。

2、风力发电变速恒频向变速恒频直驱永磁同步发电机方向发展。目前，风力发电的主流是变速恒频风力发电机，在可靠性和变流技术上，变速恒频直驱永磁同步发电机系统具有更大的优势。直驱永磁同步发电机系统的使用，提高了系统的可靠性，全功率变流技术能很好地满足低压穿越要求。

3、风力发电有齿轮箱向无齿轮箱发展。风力发电在发展中，会逐步由有齿轮箱到无齿轮箱的转变。在电力生成过程中，齿轮损耗较大，而且齿轮在工艺方面难度也较大，因此无齿轮箱的发展能有效解决此问题。目前较先进的无齿轮箱是利用低速多级永磁发电机的原理，而且随着科技的提高，这种技术也将得到更广泛的应用。另外，伴随着这种永磁发电机增多，全功率变流技术也将得到更好地应用，并且调速的范围也得到较大提升，能扩展到0～150%的转速。

4、风力发电由陆地风电向海上风电的发展。当前，大多数的风力发电为陆上风力发电，而海上风力发电较少，但目前风力发电技术发达国家已逐步开始进行海上风力发电。海上风力发电基本原理与陆上风力发电基本原理趋同，但优势更明显。在海上建造风力发电设备能节约陆上的土地资源，而且海洋上的风量要远大于陆地上风量，能充分利用风能。目前我国的海上风力发电还处于研制开发阶段。

五、功率控制策略的一般方法

1、基于风速的功率控制法。当实际风速处于切入风速及额定风速之间时，使用变速控制方法，实时追踪、获得发电机最佳功率；当风速处于切出风速及额定风速时，可采取变桨距控制法，通过调节桨叶及桨距角，保持发电机的额定功率。该方法能提高风能利用率，保证机组稳定可靠性。

2、基于风向标及输出功率偏航控制法。当风向变化大于15度时，使用风向标控制法；反之，使用功率控制法。风向及风速变化会引起发电机输出功率的变化，仪器测得的功率，只能在风向发生改变时方能进行偏航控制，风速的变化对控制方法而言仅作为干扰因素。该种方法能减短风机对风时间，提高其对风精度及发电机组的风能利用率，以及风力发电机组的使用寿命。

总之，随着经济的发展，社会在不断进步，风力发电是当前较新颖的发电方式，在使用中不会对环境造成污染，且造价低廉。当前全球的气候都在逐渐变暖，而在这种背景下，风力资源作为一种清洁能源得到了广泛应用。当前各国都在积极研究风力发电技术，在风力发电机工作中如何有效控制发电功率是整个风力发电机正常工作的重点。

参考文献：

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[2]袁雅琳.风力发电技术与功率控制策略[J].电子技术与软件工程,2018(21):208.

[3]黄信杰.风力发电技术与功率控制策略初探[J].建筑工程技术与设计，2018(18):3330.