風力發電及其控制技術初探

郭龍

摘 要：隨著我國新能源技術的不斷發展，我國風力發電產業已經進入到了快速發展時期，為最大限度的提高風力發電效能，就要對其控制技術進行應用。本文主要分析了鼠籠異步發電系統、無刷雙饋發電系統、雙饋發電系統的原理、性能特點，探后結合其控制方法的優缺點，對風力發電技術未來發展進行了探討，旨在為我國風力發電技術發展盡一份綿薄之力。

關鍵詞：風力發電技術；控制技術；發展

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.166

風能發電技術是一種環保、無污染的新能源開發技術，利用風力取之不竭、用之不盡的特點，來應對當前日趨枯竭的能源環境。自上世紀七十年代以來，世界上的國家就逐步開始對風力發電技術進行研究，上世紀末，風力發電技術的發展速度令人側目，世界上風力發電裝機容量逐年上升。結合風力發電過程以及發電機控制技術，風力發電系統主要分為變速恒頻發電系統和恒速恒頻發電系統，而風力發電機的主要運作方式則分為常規電網電源和獨立電源兩種供電形式。不同的技術所帶來的效果各不相同，本文就此進行了相應的論述。

1 鼠籠異步發電系統

鼠籠異步發電機和平時用的三相鼠籠電動機相同，因其自身無法產生磁場（并網前），所以必須在并網后通過吸收電網無功來產生磁場，當電動機的轉速超過同步轉速時候，由于轉子鐵芯的磁場（轉子鐵芯在定子磁場下感應的渦流形成的磁場）轉速略高于定子磁場轉速，即轉子磁場帶動定子磁場旋轉，電機即由電動機變為發電機運行（系統結構見圖1）[1]。

圖中功率變換器為并網雙向晶閘起動裝置，P→指功率工作方向。該系統的控制策略由定子側來實現，變頻器的容量和發電機容量之比大于100%，導致該系統的運作成本較高，且體積重量也比較大，因為變頻器和電網直接相接，所以會不可避免的出現一定諧波污染（導致輸電線路、變壓器和電機損耗增加）。但是該系統有著堅固耐用、運行可靠的優點，并且出現故障也易于維修，所以其應用程度較為廣泛，在風力發電系統中，多用于100千瓦以下的離網型系統中[2]。

2 變速恒頻發電系統

簡單來說，該系統的控制方式就是風力機采取變速運行的模式，發電機的轉速隨風速變化而變化，但可以通過電力電子變換裝置得到恒頻電能。根據貝茲理論，理想情況下風能所能轉換成動能的極限比值為16/27約為59%[3]。

恒速恒頻發電系統的所采用的風力發電機只能固定在某一轉速上，但是風能具有一定的隨機性，其能效會受周圍環境的影響而變化，所以風力機必定會偏離最佳速度，這就必然會在一定程度上降低發電效率，而變速恒頻發電系統就能夠在風速變化的條件下，來適當調節轉速，從而讓其一直保持著在理想的轉速下運行，確保發電效率。變速恒頻發電系統是目前主流的風力發電機組控制系統，對于風力發電系統而語言，風力發電機組應該盡可能的確保能量轉換效率，而變速恒頻發電系統主要通過控制電機轉矩，來實現高效率的能源轉換。

3 雙饋發電變速恒頻系統

雙饋發電變速恒頻系統是使用雙饋繞線式發電機的風力發電機組，所謂雙饋，指的是雙端口饋電，定子和轉子可同時發電，互相切割磁感線。通常來說，雙饋電機必須配合變頻器使用，變頻器給雙饋電機轉子施加轉差頻率電流，起到勵磁的作用，有效調節勵磁電流的相位、頻率、幅值，實現穩定的定子恒頻輸出。在風力發電系統中，無論風力作出什么樣的變化，當電機轉速改變的時候，利用變頻器就可調整旋轉速度，從而讓電機的轉速和風速之中保持同步（轉子勵磁電流改變轉子磁勢）。該系統主要是依靠轉子側來實現的，通過轉子電路的功率由交流勵磁發電機轉速運行來決定，所以該系統的成本較低，設計較為簡便，且后期的維護也十分便捷。另外，該系統還能吸收更多無功功率，可有效解決電壓升高的弊端，從而有效提升電網運作效率，保障電能換換質量以及穩定性。

4 無刷雙饋發電系統

無刷雙饋發電系統是目前風力發電中的新型控制系統，其運作原理和傳統交流電機差別較大，無刷雙饋發電系統中的電子定子，具有兩套不同極數的三組繞組，可分別稱為控制繞組和功率繞組，通過電機轉子的磁動勢來實現能量轉換，如果改變相應的頻率以及相位，就可改變電機的運行方式。無刷雙饋發電系統和普通系統的主要區別在于，電機定子上有一套控制繞組，可通過調節繞組上的電流頻率來改變轉速，不過該技術的制造成本較高，并且無刷雙饋發電系統的體積較大。

5 技術發展和展望

為提高風力發電技術的實際應用價值，降低諧波電流污染，實現更為穩定可靠的運行，促使風力發電向智能化、微風化、直驅化發展。首先，要實現風力發電規模化、大型化，盡可能減少風力發電占地；其次，要采用變速恒頻技術，盡可能的縮小大型風力發電機體積，降低生產成本；最后，要實現智能化控制，利用模糊計算以及神經網絡技術，來克服風力發電時的非線性因素，進一步提高風力發電的穩定性以及安全性。

6 結束語

綜上所述，我國風力發電技術水平在不斷提高，但是仍舊有許多問題亟待解決，所以要正視目前風力發電技術存在的問題，積極爭取社會各方的支持，在原有的基礎上不斷突破創新，投入一定的資金，不斷完善相關政策，從而實現風力發電技術的良性發展，讓風力發電技術真正成為我國電力供應的主流技術。

參考文獻：

[1]趙若焱.風力發電及其控制技術新進展探究[J].內燃機與配件，

2018（13）.

[2]王剛，田野.風力發電機槳葉柔性控制技術的研究及機組優化[J].通信電源技術，2017.

[3]李志偉，徐成鑫.關于風力發電電氣控制技術發展研究[J].中國科技縱橫，2017（01）.