阐述风力发电机及风力发电控制技术

阐述风力发电机及风力发电控制技术

李欣

身份证号：130722199306035115

摘要：随着人们对电能需求量的增加，风力发电工程的单机工作量也在不断增加，风力发电工程的建设任务也在不断增加，对风力发电设备的风电渗透率的要求也在不断提高。近几年风力发电工程已经不仅仅要对风力发电现场的正常状态进行监管还要求实现风力发电设备与电网系统的协调运转，以此来保证风能的转化率和电能的利用率。这就要求技术人员对大型风力发电机组的设备实行控制技术。但是目前我国的控制技术还停留在对传统设备进行研究使用，缺乏对大型风力发电机组进行控制技术。本文针对风力发电机组使用控制技术进行了讨论，希望能够为风力发电工程做出一些贡献。

关键词：风力发电；控制技术；发电机组

1.风力发电技术原理来实现控制技术

风力发电设备的能量转化率是由风机运行系数决定的，风机系数的高低决定着风力发电设备能源转化率的高低，所以风机的高效运行能够保证风能的利用效率。然而高效运转的风机的风能捕捉率又由风速和风轮的转速决定。风力发电机组的工作由风力机、发电机和其他辅助机构共同构成。通过各个部门的衔接和互相保护实现风力发电设备安全稳定的运行，其中风力机是靠风力叶片的旋转来对风能进行捕捉再通过机械能的转化变成电能。不同类型的风力机对风能的捕捉率和转化率是不一样的，目前风力发电工程常用的风力机通常都是水平轴式风力机。即使风力机全速运转也不能保证风能的转化率。所以在进行风力机的设计时只能提高风力机的捕风能力。发电机是实现将风能转化为电能的核心设备，但是随着社会的不断进步，风力发电设备对发电机的要求也在不断提升，发电机的工作原理也从最初的定速恒频技术转变为现在的变速恒频技术。不同的发电机对能量的转化效率也不同，通过控制技术对发电机的转速和机械效率进行控制，能够有效地提高风力发电设备的发电率。其他辅助机构是保证风力发电设备能够高效稳定运行的基础，风力发电设备的工作起到了辅助支撑的作用，保证了风力发电机组在工作的过程中的工作效率及安全性。由此可见，通过对风力发电设备的结构进行分析，从而引用控制技术，是目前实现能源的合理利用以及可持续变化发展的基本要求，能够帮助我国的风力发电技术能够与国际水平接轨或者赶超国际水平，可以有效地提高电能的转化率，实现风力发电机组和电网系统的相互协调，确保被转化电能的质量。

2.风力发电机的类型及特点

2.1传统风力发电机

传统的风力发电机主要为绕线式异步发电机、笼型异步发电机、同步发电机以及有刷双馈异步发电机这四种。绕线式异步发电机的运行原理是利用其独特的电力电子装置，通过不同的方式来对电机转子回路电阻进行调整，从而使发电机的转差率在10%左右，维持发电机的有限变速运行。笼型异步发电机的运行原理主要是基于电容器的无功补偿，在高于同步转速附近实施恒速运行，并利用主动失速桨叶，使发电机单速或双速运行。同步发电机在技术上有了较大的进步，逐步替代了传统的异步发电机，同步发电机的特点为极数较多，且轴向的尺寸较小，径向尺寸较大，在变速操作上更为敏捷，能频繁起动及换向各种场合。有刷双馈异步发电机能够使运行功率得到有效降低，还能对转差频率进行调整，但此种发电机对环境的要求较高，而且稳定性也一般。

2.2新型风力发电机

新型风力发电机主要为以下几种，1、开关磁阻发电机；这种新型发电机具有结构简单、动静态性能好、能量密度高、过载能力较强的运行特点。它能够基于发电机的运行状态对其进行相应的调整，将机械能转化为电能，进一步提高了能源的利用率。2、无刷双馈异步发电机；这种新型的发电机在传统的有刷双馈异步发电机的进行了优化和升级，它没有电刷，且运行速度较快，同时也具备更高的可靠性。无刷双馈异步发电机具备笼型发电机、绕线型异步发电机以及电励磁同步电机的共同优点，能够实现风能的高效利用。3、永磁同步发电机；这种新型发电机是采用永磁体励磁，不需要外加励磁装置以及专项装置，因此具备运行效率较高，使用寿命较长的优势。4、永磁直流发电机；这种新型发电机是利用二极管来替代电刷装置的，并与发电机中的直流单波绕组两者合为一体，然后利用切向永磁体转子励磁，以及电子电路换组来对设备进行有效控制。5、全永磁悬浮风力发电机。这种新型发电机主要是由永磁体来构成的，不需要其他的控制系统。将磁力转动技术和磁悬浮技术相结合，能有效解决永磁直流发电机在运行时输出特性偏软的劣势。

3.风力发电控制技术

3.1电机调速技术

风力机组的高速运行特性与控制技术密切相关，而造成这一问题的根本原因在于：风力机组所获取的风力发电是不可控的。首先，气候、环境等对人体健康有较大的影响。其次，由于风力机具有较大的转子惯量和较小的叶片直径，因此，风力机的使用效率和平稳性较高。第三，可以更好地使用风力发电进行自动控制。比如风力发电，当它与电网相连或与电网分离时，都可以作为一种自动控制。第四，产生风能发电的地点比较偏僻。比如，不是在海边就是在山中。若要利用无人驾驶飞机对风能进行严密监控，则需有高品质的风力发电设备作为支持。近几年来，风力机组中采用的控制方法越来越多，比如定桨距风机、变速恒频风机等。相对于常规风机，变频恒速风机在风压较低时，其叶尖速比随着风压的改变而改变。在风力机组的控制技术开发中，其特点是在风力机组的输出功率大于额定值时，根据风速的变化，使机组的转速变化，从而获得最优的转速比。这种装置具有额定功率得到保障，输出功率趋于常数的特点。

3.2电力电子变流器的控制方法

在大型风力发电机组的控制系统中，使用大功率电子变换器控制。电力电子变换器可以产生更多的风能能量转换率，在进行风力变换之后，仍具备了更多的能量传输效能和稳定性，同时还能进一步减小无功效率。因此电力电子变换的器具有工作范围广、工作功率大、价格低廉等优势。将PWM整流器引入到风力发电系统，可以对最大功率进行更好的控制，通过矢量控制的方法，可以有效地解决整流器的有功和无功之间的矛盾，从而使得无功能满足整流器的工作需求。

3.3风力发电机及相关电力电子变流器控制技术

风能是风能生产发展过程中最重要的能源。由于风力在高海拔地区的功率较大，因此通常需要在较高海拔地区进行能量转化，一般情况下，风力发电设备的自重较轻，风力发电效率较高。在一些特定的应用领域，目前被广泛使用的是一种高效率，低损耗的设备。

在风力发电系统中，除了强化对风力发电系统的控制之外，还必须采用电气电子转换器的控制技术。在风力发电系统中非常重要，它是将风能转化为电能的主要转换器。在选用功率电子变换器时，应综合考虑多种因素。要确保功率高，设备费用较低，合理节省。

结 语：

     总之，社会的经济发展离不开能源的支持，对于风能的有效利用不仅能够缓解能源危机，也可以推动社会经济的持续增长。因此，想要更加科学高效的控制风力发电机，相关人员就要对风力发电控制技术进行细致的分析和研究，使风力发电控制技术不断的创新发展，使其能够更加的科学化、智能化，满足现代经济社会发展的需求。

参考文献：

[1]黄学文,许冬书.风力发电及其智能控制技术研究[J].光源与照明,2021(8):97-99.

[2]李杲.风力发电电气控制技术及应用分析[J].大众用电,2021,36(06):85-86.

[3]秦生升.控制技术在风力发电系统中的应用[J].集成电路应用,2022,39(01):98-99

[4]崔青恒.新能源时代电力电子技术在风力发电中的应用[J].电子技术与软件工程,2020,47(13):190-191.