風力發電及其控制技術新進展探究

喻 挺

云南中云點新能源有限責任公司，云南昆明 650228

1 風力發電及其控制技術新進展的研究分析

1.1 風力發電系統控制的必要性

自然風會在速度大小以及方向上產生隨機變化，因此，有效控制發電系統具有重要意義，包括控制機組的切入與切出電網、限制輸出功率、檢測風輪在運行過程中的故障并加以保護等。從定槳距恒速運行技術到變槳距變速運行技術，風力發電系統的控制技術在近年來得到了很大發展，已經達到基本供電目標。就風力發電機組而言，其重要技術之一就是調節機組功率，其調節方法主要有三種，即主動失速調節、定槳距失速調節以及變槳距調節等。目前，風力發電機組已經實現了變槳距變速運行，利用風速、風向變化，風力發電控制系統不僅可對機組實現并網、脫網和調向控制，還能利用變距系統有效控制機組的功率及轉速，實現風力發電機組運行安全、速度的有效提升，大大促進了電力行業發展[2]。

1.2 國內風力發電現狀

從技術層面上看，國內風力發電企業主要采取“三步走”戰略，即引進技術、消化吸收、自主創新。目前我國5WM容量等級的風電設備逐步退出市場，取而代之的是兆瓦級風電機組，這也就意味著我國具備自主研發兆瓦級風機的技術能力。除此之外，風電設備制造業在近年來也有了蓬勃發展，國產機組占據著越來越高的國內市場份額。就風電行業而言，國產風電裝備已經可以有效滿足我國風電發展要求，例如，風電機組整機、關鍵性零部件等，但是一部分技術要求高的部件還要進口，如主軸軸承、變流器等。因此，加強風電裝備制造技術創新、提高自主研發能力非常必要且重要。作為風力發電技術的重要組成和關鍵部分，風電控制技術更是成為了當前研究的重難點。

2 風力發電控制技術分析

2.1 風輪控制技術

要想風力發電系統的轉化率達到最高，必須盡可能降低風能在獲取過程中的消耗量，就風輪而言，其控制技術主要包括以下幾種。

2.1.1 葉尖速比控制

在風力作用下，風輪的風葉尖端的轉動線速度就叫做葉尖速。而葉尖速比就是指葉尖速和該時間段風速的比值。葉尖速比控制方法就是通過對葉尖速比值進行有效控制，以此優化風機系統。考慮到風速不同，并在此基礎上確定最佳葉尖速比，由于無法調節和控制自然風的速度、風力大小，因此，要想實現控制功能，必須對葉尖速進行調整和改變，包括對風輪轉矩進行調整，以此調節風輪最外邊緣的速度，從而優化葉尖速比。

2.1.2 功率信號反饋控制

通過該方法來控制風輪的功率信號。在風輪運行過程中，其功率會隨著條件的改變而改變，這是功率信號反饋控制方法的應用基礎。通過分析功率關系進行最大功率曲線的繪制，在此基礎上進行后續操作。在具體實踐過程中，將最大功率和進行系統實際輸出功率分析比較，獲得二者差值，然后據此調整風輪槳矩，確保風輪運行功率達到最大。這一方法可以有效降低控制成本，但是值得注意的是，在風機日常運行過程中，最大功率曲線的獲取是一項技術難題[3]。

2.1.3 爬山搜索控制

通過該方法對風機的功率點進行控制，其圖像形似拋物線，最高處即為最大功率點。如果對當前工作點位置不能確定，可適當增加風輪轉動速度，以此改變系統輸出的直流功率，當系統輸出的直流功率加大時，最高點在拋物線左側，反之在右側。利用該方法能夠將最大功率點及時找出，在此基礎上確定風輪轉速。然而，如果風輪在轉動時存在較大慣量，其轉速很難改變，這是該方法的主要缺點。

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2.2 風力發電機與相關電力電子變換器控制技術

2.2.1 風力發電機控制技術

風力是風力發電的能量來源，由于風力在距地面位置較高處更大，因此能量轉化需在高空完成。發電機及其相關設備應當盡可能提高其工作效率，并減輕其重量。永磁發電機具有損耗小、效率高等優點，在風力發電系統中有著廣泛應用。目前可采取模塊化方式進行發電機制造，以此實現制作成本的降低。除此之外，在控制風力發電系統中的發電機時，通常采取矢量控制方法，該方法能夠實現直軸電流以及交軸電流二者的耦合解除，由此降低系統功率因數的控制難度。

2.2.2 電力電子變換器控制技術

在風力發電系統中，其電力電子變換器必須具備下列特征：具有較廣的使用面，能夠在大型風力發電系統中得到高效應用；在對風能進行轉換時，具有較高的能量轉換率，在轉換完成后，還要具有較高的傳輸效率；能夠對無功功率進行有效條件，實現功率因素的改善；具有較高的可靠性和安全性能。在確保運行效率較高的同時，具有大范圍功率；設備成本不高，經濟合理等。在風電系統中使用PWM整流器，可以對系統最大功率進行有效控制。在使用整流器時，采取矢量控制方式能夠將有功功率與無功功率之間的耦合解除，確保得到的無功功率滿足運行要求。除此之外，PWM整流器還能確保有功功率的輸出量達到最大，通過對直流環節進行設置，從而有效調節風電系統的無功功率和有功功率。

2.3 風能發電中的諧波消除與無功功率補償

2.3.1 諧波消除

在風機發電過程中，諧波的存在會降低電能整體質量，導致電的頻率、電壓等受到影響，破壞無功功率和有功功率之間的平衡性，因此必須將諧波的存在盡量消除。在實際運行階段，諧波對風能發電的影響包括以下方面：增加發電機鐵損、銅損，導致發電機出現超同步諧振；在電力設備運行過程中，諧波可能會引發設備熱故障，導致系統正常運行受到干擾；導致控制電路及保護系統出現無動作，影響傳感器的準確性；損壞電子設備，帶來較大的經濟損失。諧波消除方法包括下列幾點：首先，利用電力變流器等電力設備，使其相位和諧波相互抵消；其次，諧波會導致無功功率增加，對電容器組進行合理調整，以此實現無功功率的改變，降低諧波對其影響；最后，采用三角形連接方式進行連接，將諧波進入量盡可能減小。此外，還可以根據實際情況進行濾波器的加設。

2.3.2 無功功率補償

受感性元件影響，電力系統中的無功功率會產生消耗現象。當電壓通過感性元件時，由于僅僅是無功功率出現消耗，感性元件兩端的電壓不會產生變化，如果存在較高電壓，感性元件會有大電流通過，可能會損壞元件設備。這種情況下，應當對風力發電系統進行無功功率補償，對諧波作用進行抑制。電容投切法在無功功率補償中有著廣泛應用，但是該方法也存在一定缺點，例如：如果在相同時間內投入的電容容量過大，會導致電壓波動產生。

2.4 現代控制技術

風力發電現代控制技術主要有以下幾種：變結構控制、魯棒控制、自適應控制以及智能控制等。在風電系統中，變結構控制應用較廣，其主要原因為該控制方法具備響應速度快、設計簡便、便于實現等優點；在對多變量問題進行處理時，魯棒控制能夠取得良好效果，對于穩定性較強的魯棒控制，更是能夠直接解決參數不準、建模誤差以及物質系統受干擾等控制問題；智能控制方法較多，其中最典型的是模糊控制。模糊控制對于數學模型依賴程度較低，可以依靠專家經驗對非線性因素的影響進行有效克服。現階段，建立精確的風力發電機數學模型難度較大，因此在控制風力發電機組時，模糊控制能夠取得良好效果，已經受到廣大研究人員的關注和重視。

3 結語

綜上所述，社會經濟的發展帶動了電力行業的發展。作為國家重要的基礎性行業，電力行業不僅直接關系到人們的生產生活，而且對國民經濟發展有重要影響。近年來，國家加大了對風力發電的資金和技術投入，風力發電取得了顯著成就。由于風電具有環保清潔、易獲取、成本低等特點，其應用前景十分廣闊。隨著科學技術的進步，風機控制逐漸向著智能化、自動化方向發展，加強風力發電技術研究、開發與應用，能夠大大提高風力發電系統工作效率和工作質量，進而實現風能利用率的增加，推動電力行業可持續發展。