电力工程中的风力发电系统设计与控制技术研究

电力工程中的风力发电系统设计与控制技术研究

张银超      刘志国

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摘要

风力发电作为一种清洁、可再生能源，在电力工程中扮演着越来越重要的角色。然而，风电的波动性和间歇性给电网的稳定运行带来了挑战。储能系统作为一种有效的解决方案，可以平抑风电功率波动，提高风电并网的友好程度，促进电网对风电的规模消纳。国内外已经开展了关于平抑风电波动储能系统的优化配置的前期研究工作。

关键词: 风力发电系统, 控制技术, 功率控制, 稳定性分析, 预测模型

1 引言

随着传统能源的短缺和环境污染等问题的日益突出，可再生能源得到快速发展，并越来越受到人们的青睐。风力发电作为可再生能源发电的重要组成部分，具有清洁环保、可持续发展的优势，在电力工程中扮演着越来越重要的角色。受天气条件的影响，风电具有波动性和间歇性等特点，其规模化并网会对电力系统的频率、电压和电能质量等安全可靠运行带来极大影响。

2 风力发电系统概述

风力发电系统利用风能发电，其基本原理是将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能。风力发电系统主要由风力机、发电机和控制系统组成。风力机由叶片、机舱和塔架组成。风力机叶片在风力的作用下旋转，带动机舱内的发电机发电。发电机将机械能转化为电能，并通过电力变压器将电压升高，输送到电网。风力发电系统的控制系统主要负责控制风力机的运行状态，例如风力机叶片的转速、发电机的输出功率等。控制系统可以根据风速的变化，自动调整风力机的运行状态，以实现最大限度地利用风能发电。

3 风力发电系统设计

3.1 风力发电系统的设计原则

风力发电系统的设计需要遵循一系列原则，以确保系统能够高效、可靠、安全地运行，并最大程度地减少对环境的影响。

经济性: 风力发电系统的设计应充分考虑成本效益，力求在满足发电需求的同时，将投资成本和运行成本降至最低。这包括选择合适的风机类型、控制策略以及维护方案，以实现最佳的经济效益。

可靠性: 风力发电系统的设计应确保其能够在各种恶劣环境条件下稳定运行，并具备较高的可靠性。这需要选择耐用、可靠的风机部件，并设计合理的控制系统，以应对风速变化、故障等突发事件。

安全性: 风力发电系统的设计应确保其能够在安全的环境下运行，并具备必要的安全防护措施。这包括设计合理的防风、防雷、防冰等安全措施，并制定严格的操作规程，以保障人员和设备的安全。

环境友好性: 风力发电系统的设计应充分考虑其对环境的影响，并采取措施减少对环境的负面影响。这包括选择低噪声、低振动、低视觉污染的风机，并设计合理的排放控制系统，以减少对周围环境的干扰。

3.2 风力发电系统的设计关键技术

风力机是风力发电系统的核心设备，其选型直接影响着系统的发电效率和经济效益。风力机选型需要根据风能资源、发电规模、运行环境等因素进行综合考虑。例如，在风能资源较好的地区，可以选择功率较大的风力机，以提高发电效率；而在风能资源较差的地区，则需要选择功率较小的风力机，以保证系统的经济效益。控制系统是风力发电系统的“大脑”，负责对风力机进行控制，以实现最大限度地利用风能，并保证系统的安全稳定运行。

3.3 风力发电系统的设计流程

3.3.1. 可行性研究阶段

该阶段主要进行风资源评估、环境影响评价、经济效益分析等，以确定风力发电项目是否可行。风资源评估需要对风速、风向、风能密度等进行测量和分析，以确定风力发电场址的适宜性。

3.3.2. 初步设计阶段

该阶段主要进行风力机选型、风力发电场布置、电气系统设计等，以确定风力发电系统的基本方案。风力机选型需要根据风资源条件、发电规模、经济效益等因素选择合适的风力机型号。风力发电场布置需要根据风资源分布、地形地貌、环境保护等因素进行合理规划。

3.3.3. 详细设计阶段

该阶段主要进行风力机基础设计、风力发电场集电系统设计、控制系统设计等，以完善风力发电系统的具体方案。风力机基础设计需要根据风力机重量、风荷载、地质条件等因素进行设计，以确保风力机基础的稳定性和安全性。风力发电场集电系统设计需要根据风力机数量、发电规模、电网接入方式等因素进行设计，以确保电能的有效传输和安全可靠运行。

4. 施工图设计阶段

该阶段主要进行风力发电系统的施工图绘制，以指导风力发电系统的建设。施工图设计需要根据详细设计方案，绘制风力机基础图、风力发电场布置图、电气系统图等，以确保风力发电系统的建设符合设计要求。风力发电系统的设计流程是一个不断迭代的过程，需要根据实际情况进行调整和优化。

4 风力发电系统控制技术

4.1 风力发电系统的控制策略

风力发电系统控制技术是实现风能高效利用的关键，其主要目标是最大限度地提取风能并将其转化为电能，同时保证系统安全稳定运行。风力发电系统的控制策略主要包括最大功率跟踪控制、风速控制和功率控制等。

4.2 风力发电系统的控制算法

风力发电系统控制技术是保证风力发电系统安全稳定运行的关键。控制算法是风力发电系统控制技术的核心，其主要作用是根据风速、风向等环境参数以及电力系统负荷需求，对风力发电机组进行控制，以实现最大限度地利用风能，并保证电网的稳定运行。

比例积分微分控制 (PID 控制)

PID 控制是一种经典的控制算法，其原理是根据系统误差及其变化率，通过比例、积分和微分三个环节进行调节，以达到控制目标。PID 控制算法结构简单、易于实现，在风力发电系统中被广泛应用于风力机组的转速控制、功率控制和电压控制等方面。

模糊控制

模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，其特点是能够处理不确定性信息，并根据经验和知识进行决策。模糊控制算法能够有效地处理风力发电系统中存在的非线性、时变性和不确定性问题，在风力机组的功率控制和转速控制等方面具有较好的应用效果。

神经网络控制

神经网络控制是一种基于人工神经网络的控制方法，其特点是能够学习和适应环境的变化。神经网络控制算法能够根据风力发电系统的运行数据进行训练，并根据训练结果对系统进行控制。神经网络控制算法在风力机组的功率控制和转速控制等方面具有较好的应用前景。

4.3 风力发电系统的控制系统设计

风力发电系统的控制系统是整个系统的心脏，其设计直接影响着风力发电系统的效率、稳定性和可靠性。控制系统的设计主要包括硬件设计、软件设计和调试测试三个方面。

硬件设计主要包括功率变换器、控制电路和传感器等。功率变换器是将风力发电机产生的交流电转换为直流电或交流电，并将其送入电网的装置。控制电路负责对功率变换器进行控制，以实现对风力发电系统的功率输出、转速和电压等参数的调节。传感器负责采集风力发电系统运行过程中的各种参数，例如风速、转速、电流、电压等，并将这些信息反馈给控制电路。

软件设计主要包括控制算法、数据处理和人机交互界面等。控制算法是控制系统运行的核心，它根据传感器采集到的信息，对功率变换器进行控制，以实现对风力发电系统的优化控制。数据处理负责对传感器采集到的数据进行处理和分析，并将其显示在人机交互界面上。

调试测试是控制系统设计的重要环节，它可以验证控制系统设计的正确性和可靠性。调试测试主要包括功能测试、性能测试和可靠性测试等。功能测试主要验证控制系统是否能够实现预期的功能。

结束语

本文对电力工程中的风力发电系统设计与控制技术进行了研究，分析了风电波动特性与储能系统配置之间的关系，并提出了基于模型预测控制算法的风电波动抑制策略。研究表明，储能系统能够有效平抑风电功率波动，提高风电并网的友好程度，促进电网对风电的规模消纳。风力发电系统设计与控制技术将不断发展，为实现清洁能源的规模化应用提供技术支撑。

参考文献

[1] 赵瑞平. 风力发电系统低压穿越控制技术研究[J]. 电气传动自动化, 2020, 42(2):5.

[2] 任亚钊. 永磁直驱风力发电系统低电压穿越控制技术研究[D]. 华北电力大学, 2012.