探討風力發電控制技術

李冰峰

摘 要：為適應我國風力發電市場的快速發展，亟待探索和研究各種風力發電的新技術。本文簡要探討了幾種風力發電控制技術。

關鍵詞：風力發電 變槳距風力發電技術 主動失速/混合失速發電技術

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（a）-0110-01

隨著社會的不斷發展，世界能源結構也在逐步變化，即由“礦物能源系統”轉變為“以可再生能源為基礎的可持續能源系統”。可再生能源是在自然界可以循環再生的資源，如太陽能、風能、生物質能、地熱能、海洋能等都是其中的典型代表，其是與人類共存的能源，可謂取之不盡、用之不竭。風能是可再生資源中應用較為廣泛的一種，目前其主要應用于發電。實際上風能的使用歷史比較悠久，一開始人們主要將其用于抽水，磨面等，隨著社會的不斷進步和發展，其主要被用于發電。研究發現，風力發電發展前景廣闊，其發電成本與常規電力基本接近，因此其逐漸受到世界各國的重視，對于其研究也逐漸深入。根據相關調查顯示，全世界的風能總量約1300億千瓦，中國的風能總量約16億千瓦，因此我們應不斷加強風力發電技術的探索和實踐，以為我國的經濟發展提供能源保障。

風能是一種可再生、永不枯竭、無污染且儲量巨大的能源，其屬于自然能源的范疇，風能的利用相對而言比較簡單，其不同于煤、油、然氣等，需要先從地下采掘出來再進行二次加工；不同于水能，必須建造壩以推動水輪機運轉；也不同于原子能的利用，需耗費大量的成本與技術研發力量。風力發電具有較為穩定的發電成本，對環境污染小，因此其發展前景較為廣闊。尤其是對于缺水、缺燃料和交通不便的沿海島嶼、草原牧區、山區和高原地帶，根據當地的實際情況合理利用風力發電，具有重要的現實意義。本文就風力發電控制技術做簡要探討。

由于自然風速的大小和方向的隨機變化，風力發電機組切入電網和切出電網、輸入功率的限制、風輪的主動對風以及對運動過程中故障的檢測和保護必須能夠自動控制。風力發電系統的控制技術從定槳距恒速運行至基于變槳距技術的變速運行，已經基本實現了風力發電機組理想地向電網提供電力的最終目標。功率調節是風力發電機組的關鍵技術之一，功率調節方式主要包括定槳距失速調節、變槳距調節和主動失速調節三種控制方法。隨著風力發電機組由定槳距恒速運行發展到變槳距變速運行后，風力發電機組控制系統可通過風速和風向變化對機組進行并網和脫網及調向控制，同時還可通過變距系統對機組進行轉速和功率的控制，以提高機組的運行效率、安全性和可靠性，促進年發電數量和質量的提升。

1 定槳距失速風力發電技術

定槳距風力發電機邁入風力發電市場是在20世紀80年代中期，其研制成功解決了發電機組的并網問題，運行安全可靠。定槳距風力發電機主要是軟并網技術、空氣動力剎車技術、偏行與自動解纜技術三種技術的結合。定槳距風力發電機組的特點是槳葉與輪轂固定連接，在風速發生變化時，槳葉的迎風角度不發生變化結合槳葉翼型本身的失速特性，在風速高于額定值時，氣流的功角就會達到失速狀態，可使槳葉的表面的表面產生紊流，使發動機的效率降低來達到限制功率的目的，風力發動機的這一特性控制發電系統安全可靠，但是為了達到限制功率的目的，導致葉片重，結構復雜，機組的整體效率較低，所以說當風速達到某一限度時必須要停止使用。發電機轉速是由電網頻率限制，輸出功率由槳葉本身性能限制，當風速比額定轉速高時，槳葉能夠通過失速調節功能將功率控制在額定值范圍之內，其起到重大作用的是葉片獨特的翼型結構，在遇到強風時，流過葉片背風面的氣流產生紊流，降低葉片氣動效率，影響能量捕獲，產生失速。失速是一個較為復雜的過程，在風速不穩定時，很難得出失速的效果，因此很少用來控制MW級以上的大型風力發電機。

2 變槳距風力發電技術

從空氣動力學角度考慮，當風速過高時，可以通過調整槳葉節距、改變氣流對葉片攻角，改變風力發電機組獲得的空氣動力轉矩，以保持穩定的輸出功率。采用變槳距調節方式，風機輸出功率曲線平滑，在陣風時，塔筒、葉片、基礎受到的沖擊較失速調節型風力發電機要小，可減少材料使用率，降低整機重量。它能自動調節葉片槳距角度，適應不同風況下功率的調節，特別是使得在接近額定風速附近得功率曲線充實，增加風力發電機的年發電量。但其也有一定的缺點，即其需要一套復雜的變槳距機構，變槳距機構的設計要求對陣風的響應速度足夠快，以減小由于風的波動引起的功率脈動。同時，變槳距執行機構及液壓驅動系統較復雜，運行可靠性難以有效保證，其成本也較高。

3 主動失速/混合失速發電技術

主動失速/混合失速發電技術是上述兩種技術的組合。低風速時采用變槳距調節可提高氣動效率，使槳距角向減小的方向轉過一個角度，增大相應的攻角，加深葉片的失速效應，從而限制風能的捕獲。這種方式變槳距調節不需要很靈敏的調節速度，執行機構的功率相對較小。風力發電機組在超過額定風速（一般為14～16 m/s）以后，由于機械強度和發電機、電力電子容量等物理性能的限制，必須降低風力機的能量捕獲，使功率輸出保持在額定值附近，同時減少葉片承受負荷和整個風力機收到的沖擊，從而有效避免風力機受到損害。這種調節將引起葉片攻角的變化，從而導致更深層次的失速，使功率輸出更加平滑。

4 變速風力發電技術

風力發電機組分恒速恒頻風力發電和變速恒頻風力發電。變速風力發電技術是改變了風力機的恒速運動規律，可以根據風速的變化調整運行，保持恒頻發電，當風速小時爭取獲得更大的風能，風速過大時調整儲存轉化能量，比恒速風力發電機組的實用范圍更廣泛。變速風力發電技術可以根據風速的變化保證恒定的最佳葉尖速比，低風速時盡量獲取多的風能，以保證平穩輸出；高風速時及時調整風輪轉速儲存能量，避免功率過大。當風速變大風能變強時風輪可以吸收儲存部分的風能，提高了傳動系統的柔性，減輕了主軸承受的應力及扭矩。通過電力電子裝置的作用，變速風力的風能轉化為可以輸入電網的電能，使風力機組安全平穩的運行，能量傳輸機構系統也平穩運行。不同地區的風速大小變化不同，恒速風力發電技術只能適用于部分風速符合要求的地區，而變速風力發電技術可以適應不同的風速區，擴寬了風力發電的適用范圍，推動了我國風力發電市場的發展。

參考文獻

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