風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率控制策略

曹旭

摘 要：與核動力發(fā)電、火力發(fā)電相比，風(fēng)力發(fā)電需要的成本相對較小，且安全性、環(huán)保性也比較高，屬于一種可再生的發(fā)電形式，現(xiàn)階段受到越來越廣泛的重視。在實際進行風(fēng)力發(fā)電的過程中，受到不同方面因素限制，如發(fā)電技術(shù)、發(fā)電機組等，風(fēng)力發(fā)電的能源轉(zhuǎn)化效率相對較低。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;功率控制;技術(shù)

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A

在新型能源領(lǐng)域，風(fēng)力發(fā)電越來越受到國家的重視。一方面，在新的時代背景下，對能源的應(yīng)用量越來越大。但另一方面，能源卻面臨著枯竭的現(xiàn)狀。相比其他能源，風(fēng)能有較高的豐富性，清潔度也比較高，因此應(yīng)用范圍也比較廣泛。我國有較為豐富的風(fēng)力資源，在未來勢必有更加廣闊的發(fā)展空間。

1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

在新的時代背景下，生態(tài)環(huán)境惡化，能源也呈現(xiàn)出枯竭的壓力。因此，基于上述實際狀況，需要加快新能源的研究。除了應(yīng)用水利發(fā)電技術(shù)，在新能源發(fā)展領(lǐng)域，風(fēng)力發(fā)電也受到研究人員的廣泛重視，且該技術(shù)有較大的開發(fā)規(guī)模，有較為廣闊的發(fā)展前景。借助風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，能夠起到保護生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、推動經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展等作用，因此受到不同國家的重視[1]。借助風(fēng)電場功率控制，能夠有效分配風(fēng)電機組，有效提升風(fēng)電場電能質(zhì)量，降低電網(wǎng)中的不利影響。借助風(fēng)電機組功率控制，能夠保證輸出功率的穩(wěn)定性、可靠性。但另一方面，風(fēng)能還存在間接性、隨機性等特點，因此會出現(xiàn)波動情況。其卻不能如水、火電那樣進行相應(yīng)調(diào)控，將電能質(zhì)量調(diào)整到合理范圍，導(dǎo)致出現(xiàn)一系列的問題。因此，加強風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率控制策略研究，對風(fēng)力發(fā)電工作發(fā)展的持久性有著十分密切的聯(lián)系，需要借助不同方式提升風(fēng)力發(fā)電的功率和質(zhì)量。

將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械動能，隨后將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏幽堋＝柚L(fēng)力推動風(fēng)車葉片運動，并結(jié)合增速機提升旋轉(zhuǎn)速度，實現(xiàn)發(fā)電機發(fā)電，即是風(fēng)力發(fā)電的基本原理。風(fēng)電發(fā)電機組是風(fēng)力發(fā)電所需要的裝置，主要組成部分包括塔架、風(fēng)輪及發(fā)電機等。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)推廣范圍越來越大，在多次實踐中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也在不斷完善。調(diào)整傳統(tǒng)的較小的風(fēng)力發(fā)電單機容量，增大單機容量。為了減少陸地資源占用情況，轉(zhuǎn)變陸地風(fēng)為海上風(fēng)，轉(zhuǎn)變恒速發(fā)電機組為變速發(fā)電機組，推動結(jié)構(gòu)設(shè)計輕盈化、緊湊性、可靠性發(fā)展。現(xiàn)階段，盡管風(fēng)力發(fā)電機組單機容量已經(jīng)有了一定的改善，但就實際情況來看，其中仍然存在一定的問題，需要結(jié)合實際情況有效突破，從而有效滿足增長的電力需求。現(xiàn)階段，大部分風(fēng)力發(fā)電方式是陸上風(fēng)力發(fā)電，應(yīng)用海上發(fā)電的方式相對較少。一些發(fā)達國家重視技術(shù)發(fā)展，逐步加強對海上風(fēng)力發(fā)電的重視。相比陸上風(fēng)力發(fā)電，海上風(fēng)力發(fā)電與其有類似的基本原理，但有更大的優(yōu)勢。在海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備建造過程中，可以有效節(jié)約陸上土地資源，同時也有更大的風(fēng)量，可以更充分的利用風(fēng)能。現(xiàn)階段，我國還在不斷加強對海上風(fēng)力發(fā)電的研究。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電是現(xiàn)階段風(fēng)力發(fā)電的主流，其在變流技術(shù)、可靠性方面都有較大優(yōu)勢。借助直驅(qū)永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)，能夠有效提升系統(tǒng)可靠性，同時也能有效滿足低壓穿越要求。

借助無齒輪箱直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機，能夠有效代替增速齒輪箱，有利于降低加工難度、降低工作要求。在葉輪軸可以連接發(fā)電機軸，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會結(jié)合風(fēng)速變化，進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)變，會使得輸出交流電頻率發(fā)生進一步變化[2]。在這一過程中，需要借助大功率電力電子變換器，轉(zhuǎn)變交流電為直流電，并將輸出與電網(wǎng)同頻交流電逆變，可以實現(xiàn)較高的系統(tǒng)效率。雖然近些年風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得了很好的成就，但從專業(yè)性方面來看，機組會出現(xiàn)較短壽命的情況。提升發(fā)電機組相關(guān)構(gòu)件的可靠性，需要有效改善機組結(jié)構(gòu)設(shè)計。優(yōu)化機組結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以應(yīng)用更高質(zhì)量的材料，有效降低發(fā)電機組負荷，還有利于減少風(fēng)機自重，降低部件花費的成本，有效提升經(jīng)濟效益。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 定速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

在1980到1990年間，丹麥制造商曾對該種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進行了應(yīng)用。我國風(fēng)電機組中也對系統(tǒng)進行過應(yīng)用。雙速感應(yīng)發(fā)電機是該系統(tǒng)主要應(yīng)用的發(fā)電機類型，在低風(fēng)速區(qū)，小功率低速感應(yīng)發(fā)電機有較為廣泛的應(yīng)用時，高風(fēng)速區(qū)應(yīng)用大功率高速感應(yīng)發(fā)電機。如果風(fēng)速大于額定風(fēng)速，借助葉片失速情況，能夠降低風(fēng)能利用系數(shù)，有效維持功率恒定。風(fēng)力機轉(zhuǎn)速與風(fēng)速不同，不能進行經(jīng)常性的變化。因此，風(fēng)能利用系統(tǒng)一般會大于最大值，會有較低的風(fēng)能利用率，且運行效率也比較低。

2.2 變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以具體分為全功率變流器無增速齒輪箱風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、雙饋感應(yīng)發(fā)電機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等。對于雙饋感應(yīng)發(fā)電機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其定子可以直接連接電網(wǎng)，變換器可以借助滑環(huán)與繞線轉(zhuǎn)子連接。這一過程中，控制轉(zhuǎn)子繞組電流主要借助變換器，對發(fā)電機轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機輸出功率進行相應(yīng)的調(diào)整。

為了有效獲取風(fēng)能最大轉(zhuǎn)化效率，現(xiàn)階段常用變速恒頻矢量控制技術(shù)，其能夠有效調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)子相位、頻率以及電流大小，有效保持恒定的最佳葉尖速比，從而實現(xiàn)風(fēng)能最大轉(zhuǎn)化效率。在此基礎(chǔ)上，也可以借助相應(yīng)的控制策略，有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率，從而有效抑制諧波，降低損耗，提升系統(tǒng)效率。

對全功率變流器有增速齒輪箱風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，其主要應(yīng)用全功率變流器，能夠有效實現(xiàn)全范圍內(nèi)的變速。其中的發(fā)電機就類似于永磁發(fā)電機、同步發(fā)電機、感應(yīng)發(fā)電機等，風(fēng)力機連接增速齒輪箱后，借助變換器，發(fā)電機能夠連接電網(wǎng)。對于全功率變流器無增速齒輪箱風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其不同于上述發(fā)電系統(tǒng)之處為，取消增速齒輪箱，出現(xiàn)了多極電機形式。直接驅(qū)動永磁發(fā)電機有較為簡單的傳動系統(tǒng)、較高的效率等，在實踐中也有一定的應(yīng)用[3]。

對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制與變換器，借助晶閘管軟切入，在結(jié)束過渡過程中，需要及時切除變換器。對于變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，需要在結(jié)束變風(fēng)速情況后，交換器轉(zhuǎn)換風(fēng)力機輸出頻率變化的交流電，連接柔性的交流電。為了獲取最大風(fēng)能，可以對風(fēng)力機進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)、控制。應(yīng)用交—交變換器進行變流工作，其有較高的效率，且能夠開展四象限運行，進行雙向流動，主要應(yīng)用相控方式。對該變換器而言，應(yīng)用交-交變換器進行定量的諧波，且在低頻的情況下，有更大的諧波含量，且較低的功率因數(shù)。應(yīng)用矩陣式交-交變換器，其主要采用了先進控制手段和全控器件，能夠保證更加靈活、可控的輸出點煙，較低的低頻諧波含量，保證正弦的輸入電流。應(yīng)用交—直—交電壓型變換器，主要是應(yīng)用二極管不可控整流，輸入會出現(xiàn)較大的諧波含量、較低的功率因數(shù)等。借助交—直—交點變換器，主要應(yīng)用變換器，制定電路拓撲方案，能夠有效控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的諧波含量，同時也能夠有效調(diào)節(jié)功率因素。在此基礎(chǔ)上，借助上述變換器，能夠?qū)ψ儞Q器實現(xiàn)四象限運行，保證更加便捷的操作。

3 風(fēng)力發(fā)電機組功率控制技術(shù)

3.1 風(fēng)力機變槳距控制

變槳距風(fēng)力發(fā)電機以及定槳距風(fēng)力發(fā)電機，是風(fēng)力發(fā)電機的主要種類。對于上述兩種發(fā)電機，輪轂上主要安裝的是定槳距風(fēng)力發(fā)電機，且借助非剛性聯(lián)結(jié)方式來實現(xiàn)在葉片和輪轂間的連接，這樣一來在風(fēng)速改變的情況下，槳葉安裝角不會隨其發(fā)生相應(yīng)的改變。在應(yīng)用定槳距風(fēng)力發(fā)電機過程中，需要注意以下問題：額定風(fēng)速低于實際風(fēng)速狀況下，不能自動調(diào)節(jié)槳葉，使得其受到限制;在實際運行過程中，需要在緊急停機情況下出現(xiàn)制備的動能，從而保證發(fā)電機組的停機工作。在實際工作中，變槳距風(fēng)力發(fā)電機需要解決風(fēng)速變化時風(fēng)力發(fā)電機的制動和槳葉自動調(diào)節(jié)功率功能，從而有效提高風(fēng)力發(fā)電機組功率控制效果。

3.2 控制風(fēng)力機偏航

在風(fēng)力發(fā)電組控制系統(tǒng)中，一個重要組成部分即是偏航控制系統(tǒng)。其主要是配合風(fēng)機機組控制系統(tǒng)，保障迎風(fēng)狀態(tài)，有效提升機組發(fā)電效率。受到不同因素影響，不能完全實現(xiàn)對風(fēng)的情況，因此會出現(xiàn)不均的風(fēng)力機組槳葉等，使得葉片出現(xiàn)疲勞的情況。因此，在實際應(yīng)用過程中，工作人員要加強對風(fēng)精度研究的重視。

3.3 風(fēng)力發(fā)電機控制

現(xiàn)階段，大型風(fēng)力發(fā)電機的主要類型是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機。應(yīng)用雙饋發(fā)電機，其中的轉(zhuǎn)子繞組的主要功能有調(diào)節(jié)頻率、調(diào)節(jié)對幅值等。其能夠在不同環(huán)境中運行，且在不同風(fēng)速條件下，轉(zhuǎn)速也能發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)變，從而保證風(fēng)力機最佳狀態(tài)，有效降低風(fēng)能利用率。

3.4 風(fēng)速功率控制

風(fēng)速變化在額定風(fēng)速以及切入風(fēng)速之間時，需要有效應(yīng)用變速控制方法，能夠有效追蹤最佳功率曲線，從而獲取最大功率。風(fēng)速變化在額定風(fēng)速以及切出風(fēng)速之間時，需要有效應(yīng)用變槳距控制方法，從而保障輸出最大的功率，有效提升發(fā)電機組風(fēng)力利用效率，保證風(fēng)力機運行的可靠性、穩(wěn)定性。

3.5 風(fēng)向標基礎(chǔ)下的偏航控制

上述控制方法需要明確風(fēng)向變化，保證風(fēng)向變化絕對值大于十五度，能夠應(yīng)用風(fēng)向變控制方法，如果風(fēng)向變化的絕對值小于十五度，則可以應(yīng)用功率控制方法。這一過程中，發(fā)電機輸出功率會因為風(fēng)速變化出現(xiàn)相應(yīng)的變化，借助功率檢測儀，能夠檢測發(fā)電機輸出功率，在發(fā)生風(fēng)力變化后開展偏航控制工作。借助該種方法，能夠有效縮短風(fēng)力機對風(fēng)的時間，有效提升風(fēng)力機的精度、利用效率，延長風(fēng)力機使用壽命。

4 結(jié)語

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)以其自身的優(yōu)點，如較高的便利性、清潔度較高等，在市場中的應(yīng)用也越來越廣泛，受到越來越多國家的重視。在實際應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)過程中，需要基于風(fēng)能的特性，即隨機性、不穩(wěn)定性等，有效控制技術(shù)，從而保證技術(shù)系統(tǒng)運行的高效性，促進功率控制工作。

參考文獻

[1] 田鈺.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率控制策略[J].電力系統(tǒng)裝備，2019（6）：48-49.

[2] 李玉剛.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率控制策略[J].百科論壇電子雜志，2019（2）：516.

[3] 李旭兵.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率控制策略研究[J].百科論壇電子雜志，2018（20）：600.