電氣控制技術在風力發電系統中的應用

伍衛華 高飛 巴恩 吳曉演

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-1862

作者簡介：

伍衛華（1969—）男，本科，?正高級工程師，研究方向為電力工程技術。

高飛（1979—）男，本科，正高級工程師，研究方向為電力工程技術。

巴恩（1994—）男，本科，工程師，研究方向為電力設備運行與檢修技術。

摘要：風能作為一種取之不盡、用之不竭的自然資源，逐漸成為了人類利用能源的重要選擇。但風速、風向等因素的變化會對風力發電系統的發電效率和穩定性產生影響。如何提高風力發電系統的效率和穩定性，是風能利用面臨的重要挑戰。而電氣控制技術可以通過對設備的精確控制和實時監測，實現對風力發電設備的有效監測和控制，保證發電的穩定和連續性。本文將深入探討電氣控制技術在風力發電系統控制中的應用及其重要性。

關鍵詞：電氣控制技術 ??風力發電系統 ??風能預測優化 ??電網控制

中圖分類號：TM76

電氣控制技術在風力發電系統控制中的應用對于提升風力發電的穩定安全性、實現風力資源的最大程度利用，以及降低外部因素對發電的影響等有重要作用。對電氣控制技術在風力發電系統控制中的應用進行研究，旨在提高風力發電系統的效率和穩定性，推動風能利用的可持續發展。

1電氣控制技術在風力發電系統控制中的應用

電氣控制技術是研究如何通過電氣設備和電路來控制和調節電氣設備的運行狀態和參數，以實現自動化生產、提高生產效率、保障生產安全的一門技術。電氣控制技術涉及到多個領域的知識，如電子技術、電力電子技術、計算機技術、通信技術等。

在風力發電系統中，電氣控制技術發揮著重要的作用。

1.1提升風力發電的穩定性和安全性

風力發電的有關設施設備主要處在暴露環境中，自然環境的溫度、氣壓、濕度以及地勢等因素會對其產生較大的影響，使得有關設備的運行也存在一定的隨機性和不確定性，對電能質量和發電效率會產生阻礙。要想保證發電穩定連續，就要開展有效的監測控制，這就需要電氣控制技術的大力支持[1]。

1.2實現風力資源的最大程度利用

風力資源如果想要得到最大程度的利用，就需要相應的控制技術保證設備運行的連續性。借助電氣控制技術，可以實現對風速的準確測量和控制，從而優化風力發電機的運行狀態，提高發電效率。

1.3提升風力發電系統與電網之間的銜接效率

風力發電系統與電網之間進行銜接時，有關設備的運行效率大大提升，發電機組可以穩定安全地運行。電氣控制技術可以實現對風力發電機組的精確控制，確保其與電網的穩定連接，提高電力系統的穩定性和可靠性。

2電氣控制技術在風力發電系統控制中的應用

2.1風力發電機組的控制

2.1.1啟動與停止控制

通過電氣控制技術，可以實現對風力發電機組的啟動和停止。當風速達到一定水平時，控制系統會根據風速傳感器的信號，啟動發電機組并開始發電。這樣可以充分利用風能資源，提高發電效率。當風速過低或過高時，控制系統會停止發電機組，避免設備損壞。這是因為風速過低或過高可能會對發電機組造成損害，如葉片損壞、電機過載等。通過電氣控制技術，可以實時監測風速，并根據需要調整發電機組的運行狀態，確保設備的正常運行和安全性。此外，電氣控制技術還可以實現對發電機組的功率控制和保護控制。例如：當風速突然增加時，控制系統可以迅速降低發電機組的功率輸出，避免設備過載。同時，控制系統還可以對發電機組的溫度、壓力等參數進行監測，確保設備在安全范圍內運行[2]。

2.1.2功率控制

為了確保風力發電機組的穩定運行并避免過載，電氣控制技術可以實時監測發電機的輸出功率，并根據需要進行調整。例如：當風速突然增加時，風能會迅速增加，從而可能導致發電機組的功率輸出迅速增加。如果這種增加沒有得到及時的控制，可能會導致發電機組過載，進而損壞設備。此時，電氣控制技術可以通過實時監測發電機的輸出功率，以及相關的運行參數，如電流、電壓等，來及時判斷發電機組的運行狀態。一旦發現功率輸出過大，控制系統可以迅速采取措施，如降低發電機組的轉速、調整葉片角度等，以降低功率輸出，避免設備過載。此外，電氣控制技術還可以根據歷史數據和預測模型，對風速和功率進行預測，從而提前進行控制調整，以更好地適應風速的變化，確保風力發電機組的穩定運行。

2.1.3保護控制

電氣控制技術還可以實現對風力發電機組的保護。例如：當發電機組出現故障時，如電機故障、齒輪故障等，控制系統可以迅速切斷電源，以避免故障擴大。這可以保護設備免受進一步的損壞，并減少停機時間，提高設備的可用性和壽命。同時，電氣控制技術可以對發電機組的溫度、壓力等參數進行實時監測。這些參數可以反映設備的運行狀態和健康狀況。當參數超出安全范圍時，控制系統可以發出警報或采取相應的措施，如降低發電機組的轉速、進行溫度調節等，以確保設備在安全范圍內運行。此外，電氣控制技術還可以實現對風力發電機組的定期維護和保養[3]。通過對設備運行數據的分析和預測，可以提前發現潛在的問題并進行預防性維護，減少故障發生的概率，提高設備的可靠性和穩定性。

2.2風能預測與優化

2.2.1風速預測

為了充分利用風能資源，需要準確預測未來的風速變化。通過氣象監測設備，可以實時監測風速、風向、氣壓等氣象參數，并將這些數據輸入電氣控制系統的算法中。電氣控制系統的算法可以對這些數據進行處理和分析，利用歷史數據和預測模型，對未來一段時間內的風速進行預測。這種預測可以幫助決策者提前了解風速的變化趨勢，從而調整風力發電機組的運行狀態。例如：當預測未來一段時間內風速將增加時，控制系統可以提前增加發電機組的轉速，以適應風速的變化。當預測未來一段時間內風速將降低時，控制系統可以提前降低發電機組的轉速，以避免過載和設備損壞。通過這種預測和調整策略，電氣控制技術可以實現對風能資源的優化利用。

2.2.2能量調度

在風力發電系統中，多個風力發電機組通常會并網運行，以增加發電量和提供更可靠的電力供應。然而，并網運行也帶來了一些挑戰，如不同機組之間的功率協調、電網穩定性的保持等。而電氣控制技術可以通過能量調度功能來解決這些問題。控制系統可以實時監測電網的需求和各機組的狀態，并根據這些信息進行智能決策。根據電網的需求，控制系統可以自動調整各機組的功率輸出，確保電網的穩定運行[4]。例如：當電網負荷增加時，控制系統可以協調各機組增加功率輸出，以滿足電網的需求。當某一機組出現故障或性能下降時，控制系統可以調整其他機組的功率輸出，以保持電網的穩定性和可靠性。

2.3電網接入控制

2.3.1并網控制

并網操作是風力發電機組與電網連接的關鍵步驟，涉及電氣安全、電力質量、系統穩定性等多方面的問題。因此，在并網操作之前，需要對并網條件進行嚴格的監測和判斷，確保發電機組滿足并網要求。電氣控制技術可以通過傳感器、檢測裝置等設備，實時監測風速、轉速、電壓、電流等參數，以及電網的電壓、頻率等參數。當這些參數滿足并網條件時，控制系統會根據預設的邏輯和控制策略，判斷是否可以進行并網操作。在并網操作過程中，電氣控制技術還可以對并網過程進行精確控制。例如，控制系統可以根據發電機組的轉速和電網的電壓、頻率等參數，精確控制發電機組的并網速度和并網角度，確保并網操作的順利進行。

2.3.2電壓與頻率控制

實時監測電網的電壓和頻率是電氣控制技術的重要功能之一。通過傳感器、檢測裝置等設備，控制系統可以實時獲取電網的電壓和頻率數據。這些數據反映了電網的運行狀態，對于評估電網的穩定性和安全性具有重要作用。

根據電網的電壓和頻率數據進行調整是電氣控制技術的關鍵任務之一。當電網的電壓或頻率出現波動時，控制系統可以根據預設的邏輯和控制策略，迅速調整發電機組的功率輸出，以保持電網的穩定運行。這種調整可以減少電網波動對其他用電設備的影響，確保電力供應的可靠性和穩定性。

2.4故障診斷與預測

2.4.1故障診斷

在風力發電系統中，發電機組出現故障是常見的情況。為了快速確定故障原因并進行維修，電氣控制技術可以利用歷史數據和專家知識庫進行故障診斷。例如，電氣控制技術可以收集發電機組的歷史運行數據，包括電壓、電流、轉速、溫度等參數。這些數據可以反映發電機組的運行狀態和性能變化。通過對歷史數據的分析，可以發現故障發生前后的參數變化，從而初步判斷故障的原因和部位；電氣控制技術可以利用專家知識庫進行故障診斷。專家知識庫是包含大量專家經驗和知識的數據庫，可以對各種故障情況進行分類和描述[5]。通過與專家知識庫進行比對和分析，可以進一步確定故障的原因和部位，為維修人員提供準確的維修指導。

2.4.2故障預測

在風力發電系統中，設備故障是不可避免的。為了減少故障的發生和影響，電氣控制技術可以對設備運行數據進行實時監測和分析。通過對歷史數據和實時數據的對比，可以發現設備參數的變化趨勢和異常情況。當發現潛在的故障征兆時，電氣控制技術可以及時發出警報或進行干預，提醒維修人員注意并進行預防性維護。這種預防性維護可以避免故障的擴大和惡化，減少設備停機時間，提高設備的利用率和壽命。此外，通過對設備運行數據的分析，電氣控制技術還可以對設備的性能進行評估和預測。通過對歷史數據的趨勢分析和預測模型的建立，可以預測設備未來的性能變化和潛在故障風險。這種預測功能可以為維修人員提供更準確的維修計劃和指導，提前采取措施進行維護和修復，確保設備的穩定運行。

3結語

綜上所述，電氣控制技術在風力發電系統控制中的應用具有廣泛性和重要性。從風力發電機組的并網操作到電網的穩定運行，再到故障預測和預防性維護，電氣控制技術都發揮著關鍵作用。未來，隨著智能化、自動化技術的不斷發展，電氣控制技術將在風力發電系統中發揮更大的作用，推動風能利用的進一步發展，為全球能源結構的轉變和環保事業做出更大的貢獻。

參考文獻

[1] 文建行.電氣控制技術在風力發電系統控制中的應用研究[J].人民珠江，2022，43（S2）： 30-34.

[2] 包磊.風力發電電氣控制技術及應用研究[J].電子技術與軟件工程，2020（20）：105-106.

[3] 陳澤西.基于新能源發電功率預測的儲能系統優化配置研究[D].北京：華北電力大學（北京），2022.

[4] 李國全，李玲玲.基于旗魚優化算法的電力系統動態經濟調度方法研究[J].華北科技學院學報，2023，20（6）：69-75.

[5] 孟德狀，楊偉東，蔡子行，等.面向增材制造的數字孿生實施方法綜述[J/OL].計算機集成制造系統：1-26[2023-12-15].https：//doi.org/10.13196/j.cims.2023.046.