風力發電技術與功率控制措施探究

摘 要 與石化能源相比，風能資源具有清潔環境、分布廣泛、開再生、蘊藏量大、開發成本低等優點，因此該能源形式越來越受到世界各國的青睞。我國是風能資源蘊藏量大國，同時我國也擁有比較先進的風力發電技術，可見隨著時代的進步，我國風電裝機容量必將達到較高水平。文章主要探究風力發電技術及風力發電機組功率的控制措施，以提高我國風力發電技術水平。

關鍵詞 風力發電技術；風力發電機組；功率控制

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）04-0003-02

1 風力發電技術

風力發電技術是一種將風能轉換成電能的技術，其中風力發電機組起著決定性的作用。我國是一個風能資源蘊藏量大國，因此集中力量開發風能資源已成為我國新能源開發的重要環節，甚至已制定出2020年風電發展目標（8.0*1010W）。隨著時代的發展，我國風力發展技術也呈現出應有的發展態勢，例如風電機組單機容量向大容量方向發展、風電場向海上風電方向發展、風力發電機組運行方式向變槳及變頻恒頻方向發展、風力發電機向無齒輪箱直驅式方向發展等。本章節主要針對后兩項內容展開論述，以探明我國風力發電技術的發展態勢。

1.1 風力發電機組運行方式向變槳、變頻恒頻方向發展

與風力發電機組的恒速運行方式相比，變速運行方式允許根據風速的變化情況對風力機的轉速進行實時調節，如此確保風力發電機始終保持最佳的運轉狀態，進而實現風能捕獲量最大化，可見風力發電機組采取變速運行方式體現出生產成本低、風能捕獲量大、風速適應性好、機械應力低、生產效率高等優點。除此以外，變槳距比定槳距更優，即變槳距對穩定機組輸出功率、增強機組起動性能、控制機組結構受力載荷至關重要，同時若切出風速比風速高，那么經槳葉順槳亦能對風機起到保護作用，進而延長風機的使用壽命。然而上述發展舉措尚待完善，因為變槳裝置的增加勢必增加故障的概率，同時導致控制程序復雜化。

1.2 風力發電機向無齒輪箱直驅式方向發展

與有齒輪箱相比，無齒輪箱直驅式永磁風力發電機要求發電機軸與葉輪軸直接連接，如此直接省去增速齒輪箱的舉措對實時改變轉子的轉速及輸出交流電的頻率起著重要作用，同時也體現出風力發電系統高效率及高可靠性的特點。無齒輪箱直驅式風力發電機作為國際一流風力發電機，其主要借助低速多極永磁發電機及全功率變頻器來實現風電到電網的過程。實踐證實，直驅式風力發電機的應用能夠實現系統的高效率及高可靠性，因此具有較大的應用前景，同時永磁電機也表現出能量密度大、運行效率及可靠性高、造價越來越低的特點，因此此類發電機必定長時間占據國際市場。

2 風力發電機組功率的控制措施

由前文可知，風力發電機組對實現風力發電起著決定性的作用，因此嚴格控制風力發電機組的功率非常必要。風力發電機組功率的控制包括風力發電機變槳距及風力發電機偏航的控制，而常用的控制方法包括基于風速的輸出功率控制法及基于風向標與輸出功率的偏航控制法。本文結合有關理論依據，著重介紹基于風速的輸出功率控制法，以探究變槳距的詳細控制流程。

基于風速的輸出功率控制法是指當風速的波動值介于額定風速與切入風速間時，通過控制變速的方式來獲取最佳功率曲線及最大功率，同時當風速波動值介于切出風速與額定風速間時，通過控制變槳距的方式來調整槳葉槳距角，直至額定功率始終保持恒定狀態。根據上述定義可知，基于風速的輸出功率控制法要求根據實時風速選用最佳的控制手段，如此實現輸出功率及風能利用效率最大化，及提高風力發電機運行的可靠性、穩定性（見圖1）。除此以外，上述定義同時也體現出基于風速的輸出功率控制主要是指對變槳的控制。

如圖1所示，變槳控制的實現包括五大步驟，下文對此進行簡單介紹。

備注：V-風速；P-功率；P*-功率給定值；λ-尖速比；λopt-最優尖速比；ω-風輪角速度；ω*-風輪角速度給定值；n-齒輪箱傳動比；R-風輪半徑；β-槳距角；CP-風能系數。

圖1 基于風速的功率控制流程圖

第一步：風力發電機組并網施工以后，對控制系統進行初始化處理，注意槳距角β取0，同時對風速的實時情況進行判斷。

第二步：若切入風速>風速，那么風力發電機沒有任何動作。

第三步：若風速波動值介于額定風速與切入風速間，那么應該隨即實施變速控制，即根據轉速信號（源自轉速傳感器），經DSP控制器完成驅動信號的傳送，此時再經齒輪箱完成發電機轉速ω的調節，同時再與給定值ω*進行比較，如此形成完整的閉環反饋自動控制系統，以獲取最佳功率曲線、最佳風能系數CP-max（CP（λopt，0））及最大功率Pt（1/2ρπR2（λopt，0）λ3）。

第四步：若額定風速<風速及切出風速>風速，那么應隨即停止變速控制器繼續動作及開始變槳距控制器動作，即比較功率給定值P*與功率信號P（源自功率傳感器）以后，再經DSP控制器完成驅動信號的傳送，以此促使液壓變槳距機構發生動作來實現對槳葉槳距角的波動范圍進行調節，進而獲取處在變化狀態的風能系數CP（λ，β），由此通過構建完整的閉環反饋自動控制系統來維持額定功率的恒定狀態。

第五步：若切出風速<風速，那么應隨即開始風力發電機液壓剎車機構動作及停止風力發電機動作，同時從電網中切出風力發電機組。

3 結束語

隨著風力發電技術的發展，風力發電機組的單機容量持續增加，同時風力發電技術的發展態勢相當樂觀，此外風能的規模化開發也逐漸被提上日程，以此實現風力利用的可靠性及高效率。結合本文研究內容可知，若想實現風能的規模化開發，除高度關注風力發電技術的發展態勢以外，也應該重視風力發電機組功率的控制，特別應加強對某些新型控制方法的研究，如此提高風能規模化開發的安全性、高效性、可靠性。

參考文獻

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作者簡介

趙強（1978-），男，陜西渭南人，助理工程師，本科，研究方向：風力機運行管理與維護。endprint