風力發電機及風力發電控制技術研究措施

劉磊，薛靖

（中廣核哈密風力發電有限公司，新疆哈密，839000）

0 引言

風力發電技術不斷創新，在新能源中發展速度最快。但是，與其他國家相比較，中國的風力發電技術依然存在滯后性，特別是專業技術方面，諸如大型機的設計、調速調頻技術以及失速調節控制技術等等，依然需要進一步完善[1]。要使風力發電機能夠更好地發揮其性能，就需要優化風力發電的流程，使風力發電設備有良好的適應性。

1 風力發電機概述

1.1 傳統風力發電機

傳統風力發電機主要包括四種，即繞線式異步發電機、籠型異步發電機、同步發電機和有刷雙饋異步發電機。

其一，繞線式異步發電是以銅線繞制的線圈作為電機轉子，通過滑環將線圈末端引到啟動控制設備上，所以這種發電機啟動的時候電流小，具有可控性，啟動的時候轉矩比較大。轉子回路電阻的調整通過電力電子裝置實現，使發電機的轉差率得到有效調節。隨著轉差率增加到10%，就可以有限變速運行。

其二，籠型異步發電機是一種交流發電機，其是將定子與轉子間氣隙旋轉磁場充分利用起來，與轉子繞組中所產生的感應電流相互作用，所以，籠型異步發電機又被稱為“感應發電機”[2]。其運轉的速度超過同步轉速，隨著轉差率增加，輸出功率增加，當轉差率降低的時候，輸出功率就會減少。

其三，有刷雙饋異步發電機是采用雙端饋電運行方式，定子要與電源相聯，轉子也要與電源相聯，可以使發電機在并網運行的過程中，功率變換器的功率也會有所降低。

其四，同步發電機是一種交流發電機，其轉子的運轉速度等同于定子旋轉磁場的運轉速度。由于同步發電機處于運行狀態的時候所采用的是直流勵磁，如果其為單機運行，通過對勵磁電流進行調節，發電機的電壓也能夠得到有效調節。同步發電機有很多的極數，運轉的速度也不是很快，徑向的尺寸比較大，軸向尺寸卻很小。發電機的無功功率和功率因數要得到有效調節，需要根據勵磁電流的調節結果展開。

1.2 新型風力發電機

新型風力發電機有很多種，諸如無刷雙饋異步發電機、開關磁阻發電機、永磁同步發電機、永磁無刷直流發電機和全永磁懸浮風力發電機。

其一，無刷雙饋異步發電機，就是將電刷去掉，沒有集電環裝置，提高了運行可靠性。這種電機對標準型雙饋電機所存在的不足予以彌補，將繞線型異步電機、籠型異步電機和電勵磁同步電機所具備的優點兼容，可以跟蹤最大風功率因數，風能得到有效利用[3]。

其二，開關磁阻發電機的設計結構簡單，有很高的能量密度，過載能力也非常強，有良好的動靜態性能，其運行的效率高，非常可靠。（圖1：開關磁阻發電機）

圖1 開關磁阻發電機

其三，永磁同步發電機所采用的是永磁體勵磁，不需要其他的勵磁裝，由此使勵磁損耗減少。其還有一個優點，就是不需要換向裝置，所以運行效率高，使用壽命比較長。

一、清理果園，有些果農對這一做法不夠重視，至使在殘枝落葉中寄生的病菌蟲卵繼續滋生，嚴重影響了果樹的生長，開春前清掃園內雜草，枯枝殘葉，并進行焚燒，蘋果在萌芽前剪掉病枝，蟲枝，破傷枝。遠離果園外進行銷毀。

其四，永磁無刷直流發電機以直流單波繞組為樞繞組，電刷裝置用二極管替代，將直流單波繞組和二極管連接起來，構成一個整體，使用內置式切向永磁體轉子勵磁，采用電子電路換相或者電流控制方式[4]。

其五，全永磁懸浮風力發電機是永磁體構成，沒有安裝控制系統。由于這種發電機運行的過程中會存在輸出特性偏軟的問題，采用磁懸浮技術和磁力傳動技術能夠有效解決。

2 風力發電控制技術

風力發電控制技術主要包括四種，即變槳距風力發電技術、定槳距失速風力發電技術、變速風力發電技術和主動失速/混合失速發電技術。

其一，變槳距風力發電技術符合空氣動力學，在風速非常高的時候，對槳葉的節距進行調整，對氣流對葉片的迎角加以改變，就可以使風力發電機組發生改變，從中獲得空氣動力轉矩，維持穩定的輸出功率[5]。（圖2：變槳距風力發電機運行圖）

圖2 變槳距風力發電機運行圖

現在，變槳距控制技術已經被大型風力發電機組廣泛使用，諸如NERCON的E-66-1.8M變槳距風力發電機、VESTAS的V66-1.65MW的變槳距風力發電機以及NORDEX的S77/1500KW變槳距風力發電機等等。

其二，定槳距失速風力發電技術是將槳葉與輪載連接起來并固定好。槳距角恒定，隨著風速發生變化，槳葉的迎風角度也會相應地發生變化[6]。

其四，主動失速/混合失速發電技術是將變槳距風力發電技術和定槳距失速風力發電技術結合起來，性能上實現兩者的優勢互補。當風速比較低的時候，采用變槳距調節技術可以使氣動效率提高，當風力發電機達到額定功率，就會按照變槳距將槳距向相反方向調節，使槳距發生改變[7]。

3 應用智能技術控制風力發電系統

在控制風力發電的時候需要采用合適的方法，由于發電的過程中會受到各種因素的影響，所以，控制上存在一定的難度。對于控制方法的設計可以采用數學模型分析方法以及智能控制方法。

3.1 模糊控制技術的應用

模糊控制技術就是應用智能技術實施控制，其所具備的一個重要特點是，用數字語言規則表達專家的經驗以及有關的知識，對控制對象的數學模型沒有依賴性，因此不會受到非線性因素的影響。當出現異常狀況或者遇到風險的時候，可以采用調節參數的方式解決。風力發電系統屬于非線性系統，具有隨機性，所以采用模糊控制方法是比較合適的[8]。通過應用模糊控制技術可以跟蹤轉速，捕獲帶最大的風能，獲取發電機Δ的最大功率，所以對風力發電系統能夠很好地控制。

采用二維模糊控制器，控制輸入量為高風速時功率于額定功率之差是ΔP，dΔP為變化率，E和EC是模糊化量，ΔU是槳距角變化量，Δμ為模糊化量。

在模糊控制中，E和EC是是輸入量，ΔU是輸出量。

論域是：

這里，模糊化變量所采用的都是正太分布隸屬度函數。

3.2 神經網絡控制技術

對風力發電系統采用神經網絡控制技術，通過對風速數據進行觀察，對風速變化情況進行預測。應用神經網絡控制器對變槳距風力發電系統進行控制，可以對Cp-λ特性曲線進行修改，捕獲到風能，將機械負載力矩減小。以風力發電機動態特性和風速數據作為依據將自適應控制模型建立起來，應用智能技術觀測數據，將規律尋找出來，基于此預測未來數據以及不能直接觀測到的數據，由此控制工業過程。

4 結束語

通過上面的研究可以明確，風力發電如果依然采用傳統技術，已經無法適應越來越發達的社會經濟環境，快就需要智能化方向發展。應用智能控制技術使風力發電的優勢充分發揮出來。為了使風力發電機得到有效控制，就需要基于風力發電機的工作原理采取科學有效的控制方法，使風力發電的性能大大提高。