风力发电及其控制技术研究

风力发电及其控制技术研究

刘栋张旭东闫青山

(中国广核新能源控股有限公司内蒙古分公司内蒙古呼和浩特010000)

摘要：近年来，人们生活水平的提高，各行各业用电量都在增加，对风能进行合理地开发应用，能够有效缓解国内能源紧张局面，对电力行业发展具有重要意义。随着科学技术的进步，风力发电技术取得了很大进步。风力发电技术是一项复杂的综合性技术，涉及到力学、空气动力学、机械学、材料学以及自动控制等多方面内容。风力发电控制技术是目前风电行业的研究重点。在风力发电系统中，有效控制风轮能够实现风能大小的调整，控制变换器、发电机等能够实现发电效率及发电质量的改善。文章针对风力发电及其控制技术进行分析研究，以此为相关行业提供参考。

关键词：风力发电；控制技术；研究

引言

如今，人们解决能源和环境问题迫在眉睫，有些资源有限，还会产生许多污染。所以，世界各地都在关注可再生能源，而风电有许多优点，所以，利用可再生能源已成为各国的重点发展方向。我国的风能资源并不匮乏，所以开发潜力很大。我国的风力发电产业和控制技术的发展很快，因而，通过分析现阶段我国风力发电的情况和控制技术水平的发展情况，为实现可持续发展战略提供一些有价值的信息。

1我国风力发电的现况

我国风力发电的发展在技术方面上分为三步，一是引进新技术，二是把技术消化吸收三是进行自主创新。现如今，在这方面我国以快速发展起来。例如，我国的风力制造业不断提升。还有随着国内5WM容量等级风电产品的不断改进，我国的兆瓦级机组在风力发电市场被大量使用。虽然我国的风力发电机组制造业和配置零组件的发展足以满足所需，但是一些高级配置仍然需要从国外进口。所以，培养自主创新能力和不断探索新技术迫在眉睫。目前，是创新的年代，是需要快速发展的时代，新能源就是一个活生生的例子。作为新能源的一个重要部分，风力发电近年来的发展越来越好。全球的能源越来越少，之前的能源已经不足人们也已经意识到了这个问题，风力发电无污染，施工时间比较短，投资也不多，而且需要的地区也不多，这就使得各个国家对其越来越关注。在风力发电系统中，并网逆电器是一个非常重要的装置，其特性的好坏决定了发电是否灵活。随着信息技术的发展，人们也将风力发电系统做出了很多改变，使其性能得到了很大改进，促进了其进一步发展。

2风力发电及其控制技术研究

2.1风力发电机组控制技术的发展

控制技术极其重要，它是决定发电机组可以快速运行的关键，以下是几条原因:①风力机得到的风能是不能控制的，有些随意。因为平时的风速的方向和大小受大气和地形的影响而变得随机和难控制。②风力发电机组的的的风轮有很大的惯性，因为它的叶片直径在一定范围内，更好地利用了风能。③自动控制在多方面也能更好地被利用，比如在风力发电的并网和脱网时。④风力发电所需的风力所在的地方都是比较偏远的，一般在海边，工作人员想采用无人近距离的监控的方法来控制比较随机的风力，这就需要风力发电机组变得更好。有些技术在应用到风力发电的领域后，其它的控制技术也在不断的发展。并且，控制方式也不再单一，向着多方面发展。定桨距型风力机就是桨叶与轮毂的连接是无法改变的。当风速高于额定风速时，用失速特性，限制发电机的功率就是失速性。而失速特性是气流的攻角达到一定时，就会有涡流。失去调节型有许多优势，因为外界因素改变输出功率时，利用桨叶的被动失速调节不做任何控制，极大地简化了系统。但是它的叶片很重，有些部件所受的力有些大，所以风力发电机组的效率很低，也会造成重要的部件被损坏。近年来，我国找到了一种新型风力发电系统，也就是变速恒频风力发电机组，它的很多性质都不受到外界影响。它同恒速风力发电机组比较，其优势是能在风速低时跟踪风速变化，在使用过程中可以更好的使叶尖速比达到适中，在风速比较快时，可以使机组正常地运作。前者用变桨距调节和励磁控制使得正常运作。在风机发电控制技术发展的进程中，输出功率比额定功率大时，机组就会利用风速来改变发电机的转差率，达到最优的叶尖速比。该机组的优点是使额定功率得以保证并且输出功率趋于稳定状态。

2.2风力机的功率调节技术

风力机的功率调节是风力发电系统的关键控制技术之一。在超过额定风速后，由于部件的机械强度、发电机的容量和电力电子设备的容量等性能的限制，必须减少风力机的风能捕获，使其功率保持在额定值附近，使整个风力机不受到损害。目前运行中的风力机对功率的调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节三种方式。①定桨距失速控制，通过固定螺距风机叶片与轮毂固定连接，结构简单，性能可靠，但叶片顶角不能根据风速变化进行调整。这种风力涡轮机完全依赖于叶片的空气动力学，使得风力涡轮机的输出功率随风速而变化。难以确保在标称风速下的风能利用率高，特别是在低标称风速下。②变桨距调节，为了尽可能提高风能转换效率，并保证风力机输出功率平稳，需增加桨距角控制系统，这样就构成变桨距风力机。变桨距风力机的功率调节依靠叶片固有的气动特性，通过对叶片桨距角的调节来实现。③主动失速调节，主动失速调节是采用叶片主动失速以保证功率调节的简单可靠的。风速低于额定风速时，控制系统根据风速分几级控制，控制精度低于变桨距控制；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功率增加。这一点与定桨风机的失速调节类似，称为“主动失速”。

2.3风力发电机与相关电力电子变换器控制技术

①风力发电机控制技术，风力是风力发电的能量来源，由于风力在距地面位置较高处更大，因此能量转化需在高空完成。发电机及其相关设备应当尽可能提高其工作效率，并减轻其重量。永磁发电机具有损耗小、效率高等优点，在风力发电系统中有着广泛应用。目前可采取模块化方式进行发电机制造，以此实现制作成本的降低。除此之外，在控制风力发电系统中的发电机时，通常采取矢量控制方法，该方法能够实现直轴电流以及交轴电流二者的耦合解除，由此降低系统功率因数的控制难度。②电力电子变换器控制技术，在风力发电系统中，其电力电子变换器必须具备下列特征：具有较广的使用面，能够在大型风力发电系统中得到高效应用；在对风能进行转换时，具有较高的能量转换率，在转换完成后，还要具有较高的传输效率；能够对无功功率进行有效条件，实现功率因素的改善；具有较高的可靠性和安全性能。在确保运行效率较高的同时，具有大范围功率；设备成本不高，经济合理等。在风电系统中使用PWM整流器，可以对系统最大功率进行有效控制。在使用整流器时，采取矢量控制方式能够将有功功率与无功功率之间的耦合解除，确保得到的无功功率满足运行要求。除此之外，PWM整流器还能确保有功功率的输出量达到最大，通过对直流环节进行设置，从而有效调节风电系统的无功功率和有功功率。

3结语

社会经济的发展带动了电力行业的发展。作为国家重要的基础性行业，电力行业不仅直接关系到人们的生产生活，而且对国民经济发展有重要影响。近年来，国家加大了对风力发电的资金和技术投入，风力发电取得了显著成就。由于风电具有环保清洁、易获取、成本低等特点，其应用前景十分广阔。随着科学技术的进步，风机控制逐渐向着智能化、自动化方向发展，加强风力发电技术研究、开发与应用，能够大大提高风力发电系统工作效率和工作质量，进而实现风能利用率的增加，推动电力行业可持续发展。

参考文献：

[1] 赵若焱.风力发电及其控制技术新进展探究[J].内燃机与配件，2018（13）：236.

[2] 冀飞莺，郭政建.风力发电及其技术发展研究[J].企业技术开发，2016（2）：15.

[3] 程启明，程尹曼，王映斐，等.风力发电系统技术的发展综述[J].自动化仪表，2012（1）：1.