风力发电技术与功率控制策略初探刘政南

风力发电技术与功率控制策略初探刘政南

刘政南付建斌

（明阳智慧能源集团股份公司广东省中山市528437）

摘要：本文首先概述了风力发电技术，接着分析了风力发电功率控制策略，最后对风力发电技术的发展趋势进行了探讨。

关键词：风力发电技术；发电功率；控制

引言：

相对于传统能源来说，风能的开发利用不仅成本低，而且环保安全，最重要的是风能是可再生能源。目前风能的开发利用主要是风力发电。在实际工作中，风力发电机组对风力的利用率是比较低的，因此专家对风力利用率的提高技术研究一直没有间断。

1风力发电技术概述

1.1风力发电技术的基本原理

风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只或两只以上的螺旋桨形的桨叶组成。当风吹向桨叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。塔架是支承风轮、尾舵和发电机的构架。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定。发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统，包括发电机和变流器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁或励磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。

1.2风力发电的特点

风力发电技术能够得到大量的推广与它的特点是分不开的。风能属于可再生能源，风力发电有充足的能源支持；风力发电技术建设周期短以及装机规模灵活，在风能充足的地方可以用最短的时间建立风力发电基础设施，可以用最快的速度将风能转化为需要的电能；可靠性高和成本低使得风力发电的推广使用迅速提高；风力发电在操作运行方面也是比较简单的，而且风力发电建设占地面积小。风力发电的特点总结下来就是能源充足，操作简单，成本低无污染。

2风力发电功率控制策略

2.1风力发电机变桨距控制

在风力发电中风力发电机组在安装结构上根据风轮叶片和轮毂可以分为定桨距风力发电机和变桨距风力发电机两种。定桨距风力发电机是将叶片固定安装在轮毂上，在工作过程中，桨叶是不会发生角度变化的。变桨距风力发电机在实际工作中必须解决风速变化时桨叶自动调节功率和风力发电机的制动功能。具体表现在：

变桨距风力发电机在叶片和轮毂之间采用非刚性联结方式，这样叶片就可以在工作中通过节距的调整，根据风速调整叶片和轮毂之间的角度。在实际工作中，无论风速怎么变化，叶片与轮毂始终保持在最佳的角度，在风力发电中可以提高输出功率；在风力过大超出风力发电机的切出风速时，就会自动停止工作，桨叶可以在风力机停止工作时保护风力机不会受到损害。

2.2风力发电机偏航控制

在风力发电机组控制系统中风力机偏航控制是非常重要的组成部分。偏航控制系统在工作中与风力发电机组相互协调，可以保持风轮一直处在迎风状态，这样可以很大程度上提高风力发电机组的发电效率，同时也可以保障风力发电机组的运行安全。风力发电机偏航系统分为主动迎风偏航系统和被动迎风偏航系统。风力发电机偏航控制系统在工作中主要是在风力发生改变时，可以更好地调整风力发电机，让风力发电机始终处在风向的正前方，这样可以最大限度地捕获风能，对风力发电机的功率输出有很大提升。

2.3微分几何控制技术在风力发电系统中的运用

微分几何技术主要是针对风力发电系统中的非线性化变量而提出的解决方案。在这种信息化控技术中，理论上来自微分代数系统模型，通过对于引申模型理论的应用，反馈出精确的线性化，从而确定干扰的因素。微分几何控制主要应用于转矩控制和变流技术中，提出非线性的多输入和多输出状态反馈解耦控制方案，对风力发电控制系统中的双馈发电机的磁链和转速两个子系统，实现动态完全解耦，并且当风速超过额定值时，要降低风力发电机组的转速，不能使用过于复杂的变桨距机构，要在微分几何反馈线性变换的条件下，实现风力发电机的非线性模型全局线性化，实施变速风力发电机组的恒功率控制。由于其有算法负责，并且对于控制的计算机要求较高。在实际的应用中还是有一定的限制。

2.4风力发电机控制

在风力发电技术功率控制中，可以通过风力发电机来控制功率输出。风力发电机大多采用双馈异步风力发电机。双馈异步发电机的最大好处就是可以根据风速变化进行适当调整，这样可以保证风力发电机的运行始终是最佳状态，对风能利用率的提高有很大帮助。同时，在双馈异步风力发电机运行过程中，通过控制馈入的电流参数，在保持定子输出的电压和频率不变的基础上，调节电网的功率因数，保障风力发电机的系统稳定。

3风力发电技术的发展趋势

3.1单机小容量向大容量的发展

目前，风力发电机组单机容量虽然已经得到了较大改善，增大了单机容量，但在实际应用中仍然存在很大的不足，必须有新的突破才能适应日益增长的电力需求。先进国家的风力发电机组单机容量已经朝着40MW的方向发展，因此应该加快研究力度，风力发电机转变为风力发电站，风能的利用率将大大提高。

3.2风力发电有齿轮箱向无齿轮箱发展

在风力发电中有齿轮箱对风力发电工作要求高，加工难度大，而且设备较为沉重。因此直驱式风电技术得到迅速发展，无齿轮箱的直驱方式能有效地减少由于齿轮箱问题而造成的机组故障，减少风电场维护成本，而且可靠性和效率都有较大提高。目前国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机的工作原理采用的是低速多极永磁发电机，这将会在未来受到广泛推广和使用。同时随着直驱永磁式风电机组的不断增多，全功率变流技术得到了广泛发展和应用，使风轮和发电机的调速范围扩展到0至150%的额定转速，全功率变流技术能够很好地满足低压穿越要求，可提高机组的风能利用范围。

3.3风力发电由陆地风电向海上风电的发展

目前，陆地上的风力发电已经得到了广泛使用，但相对来说陆地上风能充足的地方较少，因此风力发电风能开始由陆地风能向海上风能发展，海上风电场规划规模不断扩大。将风力发电场地建设在海边不仅可以缓解陆地占用土地资源的问题，而且海上的风能更充足，可以进行大规模、大批量的生产，在成本上也会降低很多。我国将在沿海地区建设大量的风力发电场地，到2020年底，全国规划建设总容量达3000万kW的海上风电场。

3.4风力发电技术的发电效率将会不断的提高

随着科学技术的不断研发和改进，风力发电技术也得到了不断的完善和改进。但是一般风力发电设备一般的使用年限都较短，很难超过二十年，而且这类设备都具有较高的造价。并且在安装完成后，还需要对设备进行定期的维护和处理，极大的降低了设备整体所带来的经济效益。所以未来风力发电技术在实际工作过程中发电的效率会不断的增加，通过对设备不断的改进和完善，减小对于整个设备的负荷。

结束语：

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。

参考文献：

[1]许绍翰.论风力发电技术的发展及关键问题[J].决策探索（中）.2017（12）

[2]苏迎彬.风力发电技术的问题研究[J].科技经济导刊.2017（36）

[3]刘志有.论风力发电技术的应用与发展战略[J].通讯世界.2017（24）