風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術應用研究

張宏進

摘? 要：近年來，隨著我國社會經濟的持續(xù)發(fā)展以及國民生活水平的進一步提高以及人們環(huán)境意識和清潔能源意識的增強，各地開始了對清潔能源的研發(fā)，并建立起大型的風能發(fā)電站，風力發(fā)電系統(tǒng)在我國得到了廣泛應用。因此，該文主要闡釋了風力發(fā)電技術的工作原理以及風力機最佳運行原理，并在此基礎上提出了調節(jié)風力發(fā)電機功率的3種方式，最后對風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術的實際應用進行分析。

關鍵詞：風力發(fā)電系統(tǒng);工作原理;控制技術;調節(jié)方式

中圖分類號：TM614? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

19世紀70年代以后，人類開始進入二次工業(yè)革命，人類社會也開始進入電氣時代，電力得到了廣泛應用，并取代了蒸汽成為工業(yè)生產和社會生活的主要能源，給人類社會的生產結構和生活方式帶來了巨大的改變。隨著發(fā)電技術的發(fā)展，風力發(fā)電技術在我國得到了普遍應用，而風力發(fā)電過程中風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術是促進風力發(fā)電技術進一步發(fā)展的重要基礎和影響因素，但是，隨著我國社會經濟發(fā)展和人類生活對電力需求的增大，我國原有的風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術已無法滿足現代風力發(fā)電技術的高要求，阻礙了風力發(fā)電技術的進一步發(fā)展。

1 風力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

風力發(fā)電主要是利用風能進行發(fā)電，它是新型清潔能源開發(fā)后最為重要且效果顯著的發(fā)電方式。風力發(fā)電系統(tǒng)的組件主要包括了葉輪、發(fā)電機、變流器等。其中，葉輪的主要作用是收集風能后將其轉化為機械能，然后通過風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機將其轉化為電能且電流為交流電;經發(fā)電機轉化的交流電又通過變流器轉換為與電網電壓相同的交流電，最后通過變壓器并入電網運行。其工作原理圖如圖1所示。

2 風力機最佳運行原理

通過相關研究后可知，影響風力機最佳運行的主要原因有3個：一是葉輪收集的風能;二是發(fā)電機的實際運行功率;三是發(fā)電機對風速的反饋效率。通過分析動力學的相關理論知識可知，風力機葉輪收集的風能轉換后的機械輸出功率（P）可用以下公式表示：

在公式（1）和（2）中，各變量的表達含義見表1。

在公式（1）中可以得到以下結論：1）如果風速（V）固定，風輪的吸收功率（Pr）與風輪的半徑（R）呈正相關關系，即當風輪的半徑越大，風輪吸收的功率也越強。但是，如果風輪的半徑過大，不僅會增加風輪的成本，還會加大風輪安裝的難度。2）如果風輪的半徑（R）為固定值，風輪的吸收功率（Pr）與風速（V）呈正相關關系，即當風速越大時，風輪的吸收功率越大。所以，為了提高風輪的吸收功率，要盡可能地將風力發(fā)電系統(tǒng)安裝在高度較高的區(qū)域，這是因為，同一個地方，風力發(fā)電系統(tǒng)的位置越高，風輪的風速也就越大。3）發(fā)電系統(tǒng)風輪的吸收功率（Pr）與風輪的葉片數量無關，但是卻與發(fā)電機系統(tǒng)周圍的空氣密度（ρ）呈正相關關系。4）通常情況下，風力機的功率系數（Cp）不可作為常數，且最大值為0.593，但卻會因為風速（V）、風輪旋轉角速度（ω）以及槳距角（β）的改變而發(fā)生變化。

2.1 變槳距調節(jié)

變槳距調節(jié)主要是在定槳距風力發(fā)電機組的基礎上通過調節(jié)葉輪葉片的攻角對風力發(fā)電機功率進行調節(jié)。當風力發(fā)電機調節(jié)功率超出額定功率時，槳距角（β）開始朝著風力較小的一面轉動一定角度，此時槳距角（β）與攻角（α）呈負相關關系，當風力發(fā)電系統(tǒng)并網運行后，變槳距機組運行時通過控制葉輪的轉速實現對風力發(fā)電機功率的調節(jié)。

2.2 主動失速調節(jié)

主動失速調節(jié)是變槳距調節(jié)與定槳距失速調節(jié)的有機結合。當風力發(fā)電機的風速較低時，需要使用變槳距調節(jié)的方式對風力發(fā)電機的功率進行調節(jié)，從而不斷提高風力機的氣動效率;當風力機的功率到達額定功率時，通過槳距失速調節(jié)方式讓槳距角（β）朝著風力較小的一面轉動一定角度，此時攻角（α）開始增大，并加深了葉輪葉片的失速性，風力機收集風能的能力下降，從而穩(wěn)定的風力發(fā)電機的功率。

3 風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術的實際應用

我國的風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術常用于陸地發(fā)電建設以及海上風力發(fā)電建設。但是，在陸地發(fā)電建設的過程中，由于社會的用電需求量不斷地增加，導致陸地發(fā)電站的規(guī)模不斷擴大，占用了大量的土地資源。并且，有大部分的陸地發(fā)電站距離城市較近，陸地發(fā)電的功能容易受到城市高大建筑物的影響，風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術不能夠發(fā)揮最佳狀態(tài)，導致風力發(fā)電效率低下，經濟性不強且造成了土地資源浪費。可是，隨著我國風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術的發(fā)展，相關電力專家開始將風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術應用于海上風力發(fā)電建設領域中。海上不同于陸地，它的風力資源更加豐富，并且，通過上文風力機最佳運行原理的研究可知，葉輪收集的風能是影響風力機最佳運行的原因之一，如果在海水較淺的區(qū)域建設海上風力發(fā)電站，風力機所能收集的風能遠大于內陸，風力發(fā)電機所產生的功率大約是陸地的1.5倍。但是，由于海上風力發(fā)電站的建設成本過高，且海上風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術的應用還不成熟，存在著一些缺陷，還需要進一步加強對海上風力發(fā)電技術的研究。

4 結論

綜上所述，隨著國家社會經濟的不斷發(fā)展，我國的儲存能源也在不斷減少，環(huán)境也遭受到了一定程度的破壞，能源和環(huán)境問題日益突出，也越來越受到大家的關注，而風能作為我國的清潔能源之一，將其應用于發(fā)電技術中，遵循了我國綠色可持續(xù)發(fā)展理念，風力發(fā)電技術也成了我國最為常見的發(fā)電技術之一。目前，我國的風力發(fā)電主要有陸地風力發(fā)電和海上風力發(fā)電2類，給我國經濟社會發(fā)展和人類生活提供了所需的電力。但是，由于我國的風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術還存在著較大缺陷，導致我國風力發(fā)電效率較低，極大地影響了我國風力發(fā)電技術的進一步發(fā)展。所以，為了提高我國的風力發(fā)電技術，必須要加強對風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術的研究。

參考文獻

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