大型風力發電機組功率與載荷協同控制的優化方法探究

李露

摘要：當前，人們對能源的需求量仍在增加，但也導致了一系列的能源問題，對生態環境產生了一定的影響。這種情況下，環保新能源得到了有效運用，尤其是風力發電技術。基于此，本文首先明確風力發電技術的價值，然后分析大型風力發電機組功率與荷載控制現狀，最后分析功率與荷載的協同控制優化措施，旨在實現二者之間的協調發展，有效控制不穩定情況下的荷載，實現大型風力發電機組穩定運行。

關鍵詞：風力發電；功率；荷載

當前，在社會快速發展的情況下，傳統化石能源已逐漸消耗殆盡，且化石能源在燃燒過程中還會產生環境污染，人們已經認識到環境保護的重要性，不斷開發新型清潔能源，以此緩解能源危機以及環境污染等問題。新能源已成為今后能源產業的發展趨勢，得到了社會的廣泛關注。有效利用風能與我國可持續發展目標相吻合，而大型風力發電機組作為風能發電的重要組成部分，其運行管理也得到了廣泛關注。

一、風力發電技術運用價值

風能屬于清潔能源，空氣流動會產生風能，因此可以將其作為可再生能源。當前，風能發電已成為當前風能利用的主要渠道，隨著風能發電技術水平逐漸提升，其具有成本可控以及操作便捷的優點，已得到社會各界的廣泛認可。我國發電機組在容量得到大幅度增長之外，覆蓋范圍也實現了有效拓展，當前已覆蓋西北和東北大部分地區，這些地區的風能資源較為豐富，也為大型風力發電機組的安裝和運行提供了有利條件。除此之外，我國逐漸加強在沿海和海上地區的風力發電機組建設力度，充分運用我國淺灘以及近海附近的風力資源，并制定了相應的管理條例和暫行辦法，從中能夠看出，風力發電已成為我國今后電力資源開發的主要方向。大型風力發電機組是風能發電中的核心裝置，正常運行需要嚴謹的風電控制系統予以支撐，既要確保風力發電機組正常運行，又要提高風能的捕獲效率，提高發電效率。同時，實時監督機組的實際運行情況，確保各環節的零部件荷載在承受范圍內，發電機組能在生命周期內安全運行。風速具有隨機性和瞬變性，因此，風力發電機組零部件在實際運行中，始終處于較疲勞的狀態，該種情況會增加機組的實際運行成本，造成損耗率上升。針對這一現象，可以對發電機組的功率和荷載進行協同控制，這對大型風力發電機組日后的持續運行而言具有重要作用。

二、大型風力發電機組功率與荷載控制現狀

（一）功率控制現狀

機組功率控制的最終目標為在實際風速小于額定風速的狀態下，通過最大功率追蹤控制策略管理風力發電機組的最大風功率，主要包括以下方法：

第一，最優葉尖速比控制策略。該策略在實際操作中，要根據風速的實際變化情況控制葉尖速比，使其能保持最佳運行狀態，確保機組在任何風速中都能實現風能的最大利用。該種方法在實際運用過程中，簡單方便，能在準確測量風速的同時使用控制器完成控制。

第二，功率信號反饋控制策略。該方法要先測量大型風力發電機組的轉速，再利用最大風功率曲線確定轉速最大輸出功率，將其與電功率數據對比，確定誤差曲線，最終通過調節轉速的方式進行控制。該種方法的優勢是不必準確量測風速，可以降低發生誤差的概率，但要掌握大型風力發電機組的功率曲線。在運行過程中可能會出現參數變化，導致最終數據的準確性降低。同時，在測量風力機轉速和電機轉速階段，會增加設備使用成本。

第三，分段控制方法。這是在傳統風能捕捉策略基礎上形成的新策略，在運用中能充分利用系統運動方程以及風力機的特點，通過發電機轉速控制轉矩，即使不增加系統荷載，也能實現風能的有效捕獲。

（二）荷載控制現狀

1.葉片荷載分類

大型風力發電機組中葉片荷載可以大致分為兩種類型：

第一，葉片機械荷載。機械荷載中包含疲勞荷載以及極限荷載。疲勞荷載屬于風機荷載，主要指的是發電機組在正常運行的狀態下，設備零部件受到荷載長期影響，零件出現損壞甚至毀壞的情況。風機設備長期處于該種情況下，疲勞荷載量快速增加，嚴重情況下會出現疲勞損傷的情況。一旦大型風力發電機組長期在風速不確定或強烈陣風的條件下運行，風速對葉片瞬間的沖擊會使葉片以及其他零件出現疲勞荷載，導致葉片出現斷裂等現象。對此，可以采用靜強度設計的方法，增加安全系數閾值，確保大型風力發電機組安全運行。

極限荷載是保證機組長期在安全范圍之內運行荷載的最大值，要想確保機組安全運行，葉片設計階段就要全面分析極限荷載問題。由于大型風力發電機組葉片荷載具有較大的隨機性，不能僅使用數學公式進行定義，還需要通過概率統計的方式，對極限荷載進行分類，在此基礎上根據不同類型，制定有針對性的控制措施。

第二，葉片空氣動力荷載。葉片是大型風力發電機組運行中實現能量轉化的主要部件，無論處于何種風速、何種運行狀態下，葉片中都存在多種形式的力矩作用。其中，空氣動力是風輪葉片承受的主要作用力，分析葉片荷載對大型風力發電機組荷載控制非常重要。通常情況下，葉片中的作用力分為動力、重力以及慣性力三種類型，其中，空氣動力是葉片主要承載力，重力產生的荷載指的是在風力發電過程中，葉片在擺振方向根據周期變化產生力的總和。

2.葉片荷載控制方法

隨著發電機組容量增加，要想充分發揮電機的作用，需要增加機組葉片的尺寸。葉片是實現風能轉換的關鍵零件，在得到風能的過程中，會受到較大的氣動荷載沖擊。同時，大型風力發電機組中其他設備受到的荷載，多數是葉片氣動荷載，因此，葉片是實現荷載控制的關鍵。大型風力發電機組葉片，從最初的設計到最后實際運用和維護處理包括大量不同領域的學科知識，例如，空氣動力學、電氣學以及材料學等，所以這一過程較為復雜。要想確保葉片在實際運行中的質量，則要從多個領域入手。在風能使用的初期階段，葉片制作材料較為簡單，主要是木頭以及草片等；在工業革命和科技革命后，對風能的需求量持續增加，葉片在制作中也不斷發展；發展到現在，玻璃纖維和碳纖維是葉片的主要制作材料，在實際運用的過程中具有安裝難度小、價格低、質量輕等優點。

在確定葉片材料之后，要分析討論葉片的荷載問題，大型風力發電機組在運行中狀態不同，采用的控制方式也會不同，每個方式都要將機組運行參數作為標準依據。因此，在計算荷載的過程中，要根據標準流程，利用計算機軟件計算葉片荷載量。

在控制荷載的過程中，將主動控制作為關鍵點，并通過閉環控制的方式實現，建立輸出反饋回路，實時監測系統運轉情況，通過調整輸入量的方式調整系統，變更結構等各項參數，以此確保在系統沒有達到動態特性模式前始終處于運轉狀態。

三、大型風力發電機組功率與荷載協同控制優化措施

當前，我國風力發電技術處于不斷提升階段，且單機容量處于持續增長階段，已達到MW級別，隨著技術發展，容量處于持續提升階段。另外，海上風電已出現，對于前海以及沿海灘風力發電機組的需求逐漸增加。但大型風力發電機組內部較為復雜，包含多個領域的相互融合，需要在確保輸出功率最大的同時，有效控制葉片荷載，這對實現大型風力發電機組安全穩定運行而言具有非常重要的作用。

（一）功率控制優化

1.功率優化措施分類

根據上述內容，在優化大型風力發電機組功率控制的過程中，可以從以下方面入手：

第一，最佳葉尖速比優化策略。該策略的關鍵是測量電機的實時轉速以及輸出功率，將其作為電機轉速調節的參考條件，從而有效控制最佳葉尖速比。

第二，爬山搜索控制優化策略。該種控制措施主要通過不斷改變的控制策略方式，針對電機轉速擾動量，在一定范圍內搜索最大風功率。如果大型風力發電機組輸出功率曲線處于上升趨勢，表示輸出功率仍存在上升空間，該種情況下電機轉速擾動量的數值為正數，電機轉速處于增加狀態，直到達到最大輸出功率為止。但是如果大型風力發電機組輸出功率處于持續降低的狀態，說明當前功率在下降區域中，電機擾動量為負數，需要降低電機轉速，將大型風力發電機組功率提高到最大值。該種方法在慣量小的機組中具有非常明顯的運用效果，在此基礎上，相關人員又總結出了變步長爬山搜索法以及三點比較法，如圖1所示。

2.功率優化流程

目前，優化大型風力發電機組功率的主要途徑主要有：第一，通過控制槳距角的方式控制源頭功率；第二，控制電機勵磁，調整電機轉速，最終實現對電功率的管理優化。大型風力發電機制在正常運行情況下，主要分為以下四個階段：

第一階段，啟動階段。在該階段中，機組從零開始運轉，處于低于切入風速階段，機組發動機仍處于待機狀態。發動機只進行機械旋轉，并不做功，不會產生實際風功率。該階段的主要運行目標是為下一階段作準備，如果實際風速大于切入風速，大型風力發電機組能在短時間內可以調整發電機定子電壓，完成并網。

第二階段，有效風能獲取階段。風速達到一定標準之后開始并網，大型風力發電機組將獲得的風能轉化為電能，輸送到電網中。該部分風速在最低風速和標準風速之間，而且風速存在隨機性，要想在該階段中實現有效風獲取最大化，需要控制風機轉速，增加風能利用系數，直到達到最大值，再進入恒轉速區域，在該區域中可以采取上述控制方法，并根據具體情況進行選擇。

第三階段，恒轉速階段。在風速增加的狀態下，當發動機轉速達到最大值后，電功率在額定值以下，要想始終保持轉速恒定，需要提高發動電機的勵磁電壓，提升發動機功率，直到達到額定功率為止。

第四階段，恒功率階段。在該階段中，實際風速在額定風速與最大切出風速之間，且風電機的轉數處于最大值。如果依舊采用增加勵磁的方式則無法實現全部風能的有效轉化。對于這一情況，需要調整槳距角，降低風能吸收量，既能確保功率，還能實現大型風力發電機組安全運行。

（二）荷載控制優化

針對大型風力發電機組葉片荷載控制，可以從葉片設計以及槳距角控制角度出發，第一，在葉片設計階段，充分考慮葉片在實際運行中存在的影響因素，其中，包括葉片極限荷載的數值、計算極限荷載發生的概率以及葉片疲勞出現的原因等，制定相應的解決措施。葉片在完成制造之后，無論是參數還是機械強度，都不會發生變化，不能通過調整外部條件的方式控制荷載，這也是設計調整中存在的一大弊端。第二，在采取葉片槳距角控制法階段，能實現在大型風力發電機組運行過程中控制荷載。此種方法已在大型風力發電機組中得到了普遍運用，但由于葉片在完成生產后，自身參數無法得到有效調整，只能通過控制槳距角的方法把葉片在運行中的氣動荷載信號傳遞到槳距角控制器，利用控制器調節，最終達到降低葉片荷載的目的。

以上過程中，準確測量葉片氣動荷載是進行控制的關鍵，可以在葉片內部設置應變片或利用光纖傳感器的方式完成測量。其中，槳距角控制器使用中，主要功能是將槳距角在規定角度內完成線性化運動，變化情況與理想角距角數值具有緊密聯系，利用其中的反饋功能，將實際數據傳輸到數據庫中，相互對比分析確定反饋誤差，再將反饋誤差情況傳輸到控制器中，從而有效控制槳距角。

在對其進行優化的過程中，可以將風速引入槳距角控制中，進行線性化處理，根據風速變化情況和功率荷載，全面控制槳距角，以此完成功率與荷載的協同管理。這種方式與以往策略相比，風速在標準值以下的情況下，在風速某一位置中增加過渡區，將該區域中風速控制在一定范圍內，并且槳距角變化方式與以往也存在較大不同。如果風速在該區域中發生變化，槳距角速率也會隨著風速發生變化，風速與槳距角之間存在正向關系。這種控制方式能進一步縮小時間單位中槳距角的變化，進而延長槳距角的變化過程，有效緩解該區域中葉片受到的瞬間荷載，縮小功率的變化幅度，增強功率的穩定性。該種情況下，風速變化對電網產生的影響會降低，進而實現功率與荷載之間的協同控制。

四、結語

綜上所述，在當前大力發展清潔能源的背景下，風力發電技術得到了有效運用，大型風力發電機組作為風力發電系統中的重要組成部分，需要對功率以及荷載進行協同控制，以此提高大型風力發電機組的穩定性和安全性，減少零部件的損耗。在此過程中，應從功率以及荷載兩個角度出發，分析二者協同控制措施，實現大型風力發電機組運行性能的優化，最終達到提高風能發電效率的目的。

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