风力发电技术的功率控制方法研究

风力发电技术的功率控制方法研究

孙荣

大唐山西新能源公司  山西太原  036800

摘要:随着全球能源需求的不断增长和环境保护意识的加强，风能作为一种清洁、可再生的能源，正逐渐受到广泛关注。风力发电技术作为风能利用的主要形式，其功率控制方法的研究对于提高风能利用效率、保证风电系统的稳定性和可靠性具有重要意义。本文介绍了风力发电技术的基本原理，详细探讨了风力发电机组功率控制方法，包括定桨距控制、变桨距控制、偏航控制以及基于风速的功率控制等，并对未来风力发电技术的发展趋势进行了展望。

关键词：风力发电；功率控制；定桨距；变桨距；偏航控制

1引言

风能是一种清洁、可再生的自然资源，具有巨大的开发潜力。风力发电作为风能利用的主要形式，具有建设周期短、占地面积小、运行维护简单等优点，已成为全球范围内广泛应用的清洁能源发电方式之一。然而，由于风速的随机性和不稳定性，风力发电机组的输出功率也随之波动，这不仅影响了风电系统的稳定性和可靠性，也限制了风能的规模化利用。因此，研究风力发电技术的功率控制方法，对于提高风能利用效率、保证风电系统的稳定运行具有重要意义。

2风力发电技术基本原理

风力发电技术是利用风力驱动风力发电机组，将风能转化为电能的过程。风力发电机组主要由风机、塔架、发电机、控制系统等组成。风机是风力发电机组的核心部分，由转子、叶片、变桨系统等组成，负责将风能转化为机械能。塔架是支撑风机装置的立式结构物，通常采用混凝土或钢铁材料制成，高度一般在100米以上。发电机是将机械能转化为电能的装置，常用的发电机类型有异步感应发电机、绕线转子异步发电机和双馈发电机等。控制系统是风力发电机组的大脑，负责监视电网、风况和机组的运行参数，对机组进行并网与脱网控制，以及根据风速与风向的变化对机组进行转速和转向的实时控制。

3风力发电机组功率控制技术

3.1定桨距控制

定桨距风力发电机组的叶片固定安装在轮毂之上，风速变化时，桨叶安装角不会发生变化。定桨距风力发电机需要解决两个问题：一是风速高于额定风速时桨叶能自动调节功率，使其限制在额定值附近；二是运行中的风力发电机在需紧急停机时具备制动的性能，以确保风力发电机组能够快速安全停机。20世纪70年代，叶尖扰流器成功应用于定桨距风力发电机组后，实现了风力发电机组的功率调节和气动力制动功能，再加上定桨距本身所固有的结构简单、性能可靠等优点，被普遍采用。然而，定桨距风力发电机组在低风速时效率较低，因为桨叶无法根据风速变化调整角度，无法最大限度地吸收风能。此外，在风速变化时，桨叶可能会产生失速现象，导致效率降低。因此，定桨距风力发电机组通常应用于风速较为稳定、对效率要求不高的场合。

3.2变桨距控制

变桨距风力发电机组的叶片与轮毂之间采用非刚性联结方式，允许叶片可以绕叶片纵梁进行节距调节，使得叶片相对于风向有不同的功角。当风速持续变化时，叶片的功角始终保持在最佳角度，从而使风力发电机组有可能在不同风速下始终保持其风轮的最佳转换效率，使输出功率最大。当风速大于切出风速时，风力机停止工作，桨叶顺桨以保护风力机不受到损坏。变桨距风力发电机与定桨距风力发电机相比具有在额定风速点以上输出功率平稳的特点，同时，变桨距风力发电机的叶片较薄、结构简单、重量小，使得发电机转动惯量小，易于制造大型发电机组。因此，大型风力发电机组通常采用变桨距技术。传统的变桨距方式主要有电液伺服和电气伺服两种形式。出于限制动态转矩的目的，需要限制变桨距机构的输出节距角变化值，一般为5-120/s。对于大型风力发电机组，叶片改变节距角时所需的驱动力相对比较大，且对变桨距机构的强度和定位精度都有较高的要求。变桨距控制系统的核心是变桨距控制器，根据风速、发电机输出功率等参数，通过控制算法计算出最佳桨距角，并控制变桨距机构进行调整。常见的变桨距控制算法有PID控制、模糊控制、神经网络控制等。其中，PID控制算法简单可靠，但适应性较差；模糊控制算法具有较好的适应性和鲁棒性，但设计复杂；神经网络控制算法具有自学习和自适应能力，但需要大量的训练数据和计算资源。

3.3偏航控制

偏航控制系统是风力发电机组控制系统的重要组成部分。偏航系统一般由偏航轴承、偏航驱动装置、偏航制动器、偏航计数器、扭缆保护装置、偏航液压回路等组成，主要作用是与风电机组的控制系统相互配合，使风轮始终处于迎风状态，提高风电机组的发电效率；保障风电机组的安全运行。风力发电系统的偏航控制系统主要分为两大类：被动迎风偏航系统和主动迎风系统。被动迎风偏航系统通过风轮的自然旋转和尾舵的作用，使风轮始终处于迎风状态。主动迎风系统则通过传感器检测风向和风速，通过控制算法计算出最佳偏航角度，并控制偏航驱动装置进行调整。主动迎风系统具有更高的精度和适应性，可以更有效地提高风电机组的发电效率。偏航控制系统的设计需要考虑多种因素，包括风况、地形、机组结构等。在实际应用中，还需要根据具体情况对偏航控制算法进行优化和调整，以实现最佳的控制效果。

3.4基于风速的功率控制方法

基于风速的风力机输出功率控制方法，当风速在切入风速和额定风速之间变化时，采用变速控制方法，追踪最佳功率曲线，获得最大功率；当风速在额定风速和切出风速之间变化时，采用变桨距控制方法，调节桨叶桨距角的变化，保持额定功率不变。该方法的特点为能根据风速的大小选用不同的控制方法，实现风力机最大功率的输出，提高了发电机组风能利用效率，同时保证了风力机运行的稳定性和可靠性。变速控制方法通常通过调节发电机组的转速来实现最佳功率追踪。常见的变速控制算法有最优转速控制、最大功率点跟踪控制等。最优转速控制算法根据风速和发电机组的参数计算出最优转速，并控制发电机组进行调整。最大功率点跟踪控制算法则通过实时监测发电机组的输出功率和转速，不断调整转速使输出功率达到最大值。基于风速的功率控制方法还需要考虑风速的波动性和不确定性。在实际应用中，通常采用滤波算法对风速进行平滑处理，以减少风速波动对控制系统的影响。此外，还需要设计合理的保护策略，以防止风速过高或过低时对发电机组造成损坏。

4风力发电技术的发展趋势

4.1大型化、智能化

随着风力发电技术的不断进步和成本的降低，风力发电机组将朝着更大容量、更高效率的方向发展。同时，智能化技术的应用将进一步提高风力发电机组的可靠性和稳定性。例如，通过采用先进的传感器和监测技术，可以实时监测风力发电机组的运行状态和故障情况，并及时采取相应的措施进行修复和维护。

4.2海上风电

海上风电具有风速高、风速稳定、发电量大等优点，是未来风力发电技术的重要发展方向之一。随着海上风电技术的不断进步和成本的降低，海上风电将成为未来清洁能源发电的重要组成部分。

4.3多能互补

多能互补是指将多种能源形式进行组合利用，以提高能源利用效率和降低能源成本。未来，风力发电将与其他可再生能源形式（如太阳能、水能等）进行多能互补，形成综合能源系统，为人类社会提供更加清洁、高效、稳定的能源供应。

5结语

风力发电技术是风能利用的主要形式之一，具有广阔的发展前景。本文介绍了风力发电技术的基本原理和风力发电机组功率控制技术，包括定桨距控制、变桨距控制、偏航控制以及基于风速的功率控制等。这些控制方法各有优缺点，需要根据具体情况进行选择和优化。未来，随着风力发电技术的不断发展和完善，风力发电将朝着更高效、更可靠、更智能的方向发展，为人类社会提供更加清洁、高效、稳定的能源供应。

参考文献

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