風力發電電氣控制技術及應用實踐

中國電建集團核電工程有限公司 李春奇

隨著時代的進步，電力運用范圍越來越大，人民的生活工作中少不了電力的支撐。在國家社會經濟穩定發展的同時，社會群眾對電能的需求量越來越多，為更好滿足時代發展所需，國家相繼研制出多種能源生產科技，旨在改善國內供能環境。國內發電途徑較多，具體包含火力發電、風力發電和水力發電，而風力發電科技屬于電能技術體系的組成部分，電氣控制系統直接影響到風力發電廠可靠運轉。

1 風力發電現狀

1.1 風力發電和電氣控制技術概述

風力發電是指把自然界內的風能變為電能，許久之前就已經在利用風能，風能存在較多的蘊藏量，干凈環保，是可再生能源，當前各種能源比較稀少且受到巨大污染，利用風能可以在較大限度上緩解這一現象，利用風力發電時既能夠節省資源、還不會影響外界環境，因此全球很多國家都非常重視風力發電，在國內也獲得了顯著發展，但是風能缺少一定的可靠性，主要受自然條件干擾，例如環境、氣壓以及溫度等，所以為處理這些問題，選擇風力發電階段要利用電氣控制技術，提高風能應用的穩定性[1]。電氣控制技術主要指組裝幾個電氣配件，用其管控某一對象或部分對象，以保障控制設備運轉過程的穩定性、安全性。當前，發電方面充分采用電氣控制手段，可以更好管控整個發電過程，效果非常明顯。

1.2 電網質量無法獲得保障

風能發電存在明顯的不可靠性，這是造成電網質量無法獲得保障的重要原因。由于風能發電一般是通過使用風力完成發電，風能原本就存在極大的不穩固性，其風速與風向都不穩定，所以如果不能嚴格管控風能，當風速與風向出現變化時會導致電力負荷與電能都會隨之出現變化，若變化太大、超出了電網可承擔的范圍，就會降低電網質量。

1.3 風能發電系統組成繁瑣

受科技水平的影響，如今國內風能發電系統組成與動態特性都非常繁瑣，其中主要包含兩類系統模型，即非線性模型和線性模型都被用于風能發電領域，但因為二者在作用發揮和對環境需求上存在差異，所以采取傳統的技術方法，集中對其展開技術控制，勢必不能徹底滿足兩類模式下風能發電系統運轉需要，所以，把電氣控制技術充分用于系統方面顯得特別關鍵。

1.4 風能發電廠機組運維問題

電廠機組問題主要指變電器、風電機與輸送設備在發電階段影響到安全運轉的問題。現如今，風電裝置的運轉缺少系統的、可預測性的機組管理體制[2]。運維方面具體表現為：風能發電電氣維護一般是定時檢修與故障維修相統一，幾乎是等電氣裝置產生故障才開始系統維護，這是維護的早期階段；現存的風電檢測一般集中于電氣裝置方面，只控制室實測電機與變壓其傳輸功率等，并沒有仔細檢測電氣裝置的壽命以及有運轉隱患的配件，使得電氣運轉時無法實時掌握運轉狀態，僅能在維護時找到問題；許多風電廠管理方式較為粗放，采取火電、水電控制方式，管理性弱，缺少創新性。維護者水平有限、缺少工作熱情、責任感差，由此導致風電裝置故障很多，處理周期長，下降正常風電運轉效率。

1.5 外部因素嚴重影響

風能發電裝置運行環節，除發電裝置本身的故障現象會干擾發電系統可靠運轉外，還有大量外部因素嚴重影響，具體包含自然因素與人為因素[3]。針對自然因素而言，通常風能發電裝置都建造在高水平面地理位置，這些位置的氣溫、氣壓、雷雨和濕度等外部因素的改變非常極端，既會影響風能發電裝置可靠運轉，還在一定程度上破壞了風能發電裝置，極大影響著風能發電裝置正常運轉；針對人為因素而言，風能發電裝置的控制比較繁瑣與專業，如操作者缺少較高的專業技能與服務意識，在具體操作中極易產生違規工作或疏漏工作，既不能有效保障風能發電裝置的安全性，還會引發許多危險，導致風能發電裝置癱瘓。

2 電氣控制技術具體運用實踐

我國很早就開始探究風能的使用，但具體應用仍采取示范模式展開，而且未形成規范。1990年后國家開始規模化創建風能發電廠，隨后國內風能發電科技探究就邁向高速發展階段，按照2016年氣象局的風力資源調研結果表明，國內風能發電總儲備量高達14864萬kV，裝機總容量是16900億kV，已是世界第四大風能發電地區。現如今涌現了大量風能發展科技，而且得到普遍使用，下面就對常見技術展開介紹。

2.1 變槳距發電方法

風能發電階段，如用作風能發電的裝置出現輸出功率低的現象，將下降風能使用效率，甚至影響發電質量，由此必須嚴格管理風能發電裝置的風速功率[4]。若想處理這種問題就必須采取變槳距發電方法，經調整槳葉角度（圖1），確保風速太高時管控風能發電裝置，從而提高風能使用效果。此外，選擇重量輕、方便的物料加工變槳距扇葉，如此可以降低扇葉重量，由此降低裝置總體質量還可以減小壓力，進而避免風能發電裝置運行過程的故障。但是變槳距運行過程會產生失穩現象，需要投入大量人力與物力，增加了人力和物力的消耗，伴隨電氣控制技術含量的不斷提高，相信會妥善處理這種問題。

圖1 不同槳葉的槳距角對傳輸功率的影響

2.2 定槳距失速風能發電方法

為處理風能發電裝置運轉階段的并網情況，1985年開始在風能發電方面使用定槳距失速風能發電方法。發電裝置運轉階段一個十分關鍵的因素即定網，為進一步提升定網作用率，國內技術工作者投放了許多精力，最后選擇把定槳距失速風能發電方法和現實的風能發電相統一，且把新發電科技和舊風能發電方法相統一，如此能夠更好穩固風能發電裝置的運轉軌跡[5]。由此能夠發現，定槳距失速風能發電的核心目的即限制功率，所以其本身的結構比較繁瑣且質量與體積很大，就算能實現功率限制目標，也很難保障整個設備的運轉效率。

因此，在推動這項工作時重點在于功率限制，一般是借助繁瑣的葉片結構和很大的質量來完成，這樣將影響發電裝置的總體運轉效率，在風能級數很高的區域，該技術尚未得到普遍使用（圖2）。因此，在今后的風能發電電氣管理系統中，要著重考慮怎樣在風力很大的區域采用定槳距失速風能發電方法。

圖2 不同運速下功率隨風速的改變曲線

2.3 變速風能發電方法

風能是一種綠色、干凈、沒有污染的可再生能源，因其本身可靠性很差，不能正常管控風速等特點，故在風力發電過程按照風向的改變性與風機葉持續的變動，必須科學使用且把控操作方法，否則將下降風力發電效果及效率。調整過程分析發電機運轉時可能產生的一系列變化，就能夠完全保障風力發電應用效率。此外，在現有的風力發電機管理系統內，最常見的管理系統包括三種：改變速恒頻管理、葉尖速比追蹤管理、除去力矩運動鏈上力矩震蕩管理。

最早使用風能發電通常是選擇恒速恒頻模式發電，該方法早期較為成熟且操控簡便，但所要風力效率較低。唯有當風力尖速處于最好狀態且維持不變，此時就是最大化使用風能。當前，恒頻變頻模式受到廣泛關注且獲得普遍應用，但是大規模應用還比較困難，由于該技術所需的恒頻設備相對較為繁瑣，不同區域是適應的風速區不一樣，擴大了風能發電使用范圍，因此在應用時必須嚴格控制與利用，在最大程度上提升風力效率，且全面推進國內風能發電行業的持續發展。

2.4 主動失速方法

主動失速方法有效整合了定槳距失速方法與變槳距發電方法因此稱為混合失速發電方法，根據風速的變動、風向的改變合理調節槳距角，由此管理風能捕捉量及風速，有較高的能量轉變效率，一定程度上保障了風能發電的運轉效益。但是在具體使用時一直會出現失速問題，由此影響著輸出功率，極大干擾電氣控制，對此必須加大改進力度提高技術水平。

3 風能發電裝置維護及管理策略

3.1 制定健全的技術控制體制

技術控制體制屬于風能發電廠運轉管理體系方面的核心構成部分，還是發電廠穩定生產的重要保障。制定健全的技術控制體制要涉及如下內容：

創建規范的班組系統。風能發電廠需貫徹執行各項安全生產體系，最關鍵的是加強班組控制。班組屬于風能發電廠的一線組織，還是員工最多的部門之一，在組織結構上占有核心位置，風能發電廠運營管理的安全與管理策略，均需要班組有效實施。提高班組安全控制要求，班組人員唯有把安全生產觀念時刻放在首位，方可防止事故的出現。制定健全的安全控制體制，班組安全工作需實現常規化、制度化、標準化。安全應融入工作的方方面面，保證工作前做好安全安排，工作時有安全措施，工作后做好安全總結，讓班組人員形成較強的安全責任思想，且在工作方面熟練了解安全知識。

提升技工和管理者的專業素養及能力。按照不同的辦公環境及職工文化差別，還有不同職工的要求，安排多樣化安全培訓活動，鼓勵職工踴躍學習安全工作知識與工作規程，令安全生產從被動狀態變為主動防范，在思想與技術方面滿足安全生產需要；構建健全的數據系統。對電氣裝置進行數字化控制，盡量借助計算機技術取代人工勞動，提升自動化程度，節約人力費用。制定運行登記機制，可以實時監測且記錄所有電氣裝置的運轉狀態，并將之整合共享，方便維護和管理電氣裝置。

3.2 重視關鍵機組選型與質量保障

風能發電裝置像發電機等均是非常昂貴且難以調換的，若想保障這些供電配件的質量，就必須加強全過程控制。在訂購機組時，要注重機組選型和應該有的特點細節，比如110kV 有載調壓變壓設備中壓側不能安裝調壓線圈，而且降壓變壓器盡量具備67%及之上的自冷性能，同時優選已經過專業檢測且驗證達標的機組，仔細研究所訂購機組的測試報告，做好核算工作。出廠測試所購配件時，需要保障其各種性能在規范實驗下的結果符合實際要求，且把各種實驗結果制表并合理分析。

此外，為保障實驗結果具備代表性與真實性，必須通過反復測試積累原始信息，把多遍結果前后展開比較，以檢測其可否穩定運轉，該項工作需要機組投用后定時展開，以確保風力發電供電穩定運轉狀態，比如以250h 或30天為一個周期檢測發電機，由此減小發電機故障出現的幾率。

綜上，隨著國家經濟水平的日益提高，國內許多能源出現巨大消耗，而風能發電既是一種可再生資源，大大節省了其它能耗，所以風能發電變得越來越成熟。我國是個物產頗多的資源國家，為風能發電提供了良好條件，由此突出了風能發電在國內電力領域具有十分關鍵的作用，既推進了國內電力行業的長遠穩定發展，還提升了社會經濟效益。