風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率控制措施探究

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

關(guān)鍵詞 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)；風(fēng)力發(fā)電機組；功率控制

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

1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

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

1.1 風(fēng)力發(fā)電機組運行方式向變槳、變頻恒頻方向發(fā)展

與風(fēng)力發(fā)電機組的恒速運行方式相比，變速運行方式允許根據(jù)風(fēng)速的變化情況對風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速進行實時調(diào)節(jié)，如此確保風(fēng)力發(fā)電機始終保持最佳的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，進而實現(xiàn)風(fēng)能捕獲量最大化，可見風(fēng)力發(fā)電機組采取變速運行方式體現(xiàn)出生產(chǎn)成本低、風(fēng)能捕獲量大、風(fēng)速適應(yīng)性好、機械應(yīng)力低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。除此以外，變槳距比定槳距更優(yōu)，即變槳距對穩(wěn)定機組輸出功率、增強機組起動性能、控制機組結(jié)構(gòu)受力載荷至關(guān)重要，同時若切出風(fēng)速比風(fēng)速高，那么經(jīng)槳葉順槳亦能對風(fēng)機起到保護作用，進而延長風(fēng)機的使用壽命。然而上述發(fā)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(dǎo)致控制程序復(fù)雜化。

1.2 風(fēng)力發(fā)電機向無齒輪箱直驅(qū)式方向發(fā)展

與有齒輪箱相比，無齒輪箱直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機要求發(fā)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速及輸出交流電的頻率起著重要作用，同時也體現(xiàn)出風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)高效率及高可靠性的特點。無齒輪箱直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機作為國際一流風(fēng)力發(fā)電機，其主要借助低速多極永磁發(fā)電機及全功率變頻器來實現(xiàn)風(fēng)電到電網(wǎng)的過程。實踐證實，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的高效率及高可靠性，因此具有較大的應(yīng)用前景，同時永磁電機也表現(xiàn)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(fā)電機必定長時間占據(jù)國際市場。

2 風(fēng)力發(fā)電機組功率的控制措施

由前文可知，風(fēng)力發(fā)電機組對實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電起著決定性的作用，因此嚴(yán)格控制風(fēng)力發(fā)電機組的功率非常必要。風(fēng)力發(fā)電機組功率的控制包括風(fēng)力發(fā)電機變槳距及風(fēng)力發(fā)電機偏航的控制，而常用的控制方法包括基于風(fēng)速的輸出功率控制法及基于風(fēng)向標(biāo)與輸出功率的偏航控制法。本文結(jié)合有關(guān)理論依據(jù)，著重介紹基于風(fēng)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(fēng)速的輸出功率控制法是指當(dāng)風(fēng)速的波動值介于額定風(fēng)速與切入風(fēng)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(dāng)風(fēng)速波動值介于切出風(fēng)速與額定風(fēng)速間時，通過控制變槳距的方式來調(diào)整槳葉槳距角，直至額定功率始終保持恒定狀態(tài)。根據(jù)上述定義可知，基于風(fēng)速的輸出功率控制法要求根據(jù)實時風(fēng)速選用最佳的控制手段，如此實現(xiàn)輸出功率及風(fēng)能利用效率最大化，及提高風(fēng)力發(fā)電機運行的可靠性、穩(wěn)定性（見圖1）。除此以外，上述定義同時也體現(xiàn)出基于風(fēng)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(xiàn)包括五大步驟，下文對此進行簡單介紹。

備注：V-風(fēng)速；P-功率；P*-功率給定值；λ-尖速比；λopt-最優(yōu)尖速比；ω-風(fēng)輪角速度；ω*-風(fēng)輪角速度給定值；n-齒輪箱傳動比；R-風(fēng)輪半徑；β-槳距角；CP-風(fēng)能系數(shù)。

圖1 基于風(fēng)速的功率控制流程圖

第一步：風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)施工以后，對控制系統(tǒng)進行初始化處理，注意槳距角β取0，同時對風(fēng)速的實時情況進行判斷。

第二步：若切入風(fēng)速>風(fēng)速，那么風(fēng)力發(fā)電機沒有任何動作。

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

第四步：若額定風(fēng)速<風(fēng)速及切出風(fēng)速>風(fēng)速，那么應(yīng)隨即停止變速控制器繼續(xù)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(jīng)DSP控制器完成驅(qū)動信號的傳送，以此促使液壓變槳距機構(gòu)發(fā)生動作來實現(xiàn)對槳葉槳距角的波動范圍進行調(diào)節(jié)，進而獲取處在變化狀態(tài)的風(fēng)能系數(shù)CP（λ，β），由此通過構(gòu)建完整的閉環(huán)反饋自動控制系統(tǒng)來維持額定功率的恒定狀態(tài)。

第五步：若切出風(fēng)速<風(fēng)速，那么應(yīng)隨即開始風(fēng)力發(fā)電機液壓剎車機構(gòu)動作及停止風(fēng)力發(fā)電機動作，同時從電網(wǎng)中切出風(fēng)力發(fā)電機組。

3 結(jié)束語

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機組的單機容量持續(xù)增加，同時風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢相當(dāng)樂觀，此外風(fēng)能的規(guī)模化開發(fā)也逐漸被提上日程，以此實現(xiàn)風(fēng)力利用的可靠性及高效率。結(jié)合本文研究內(nèi)容可知，若想實現(xiàn)風(fēng)能的規(guī)模化開發(fā)，除高度關(guān)注風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢以外，也應(yīng)該重視風(fēng)力發(fā)電機組功率的控制，特別應(yīng)加強對某些新型控制方法的研究，如此提高風(fēng)能規(guī)模化開發(fā)的安全性、高效性、可靠性。

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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(fēng)力機運行管理與維護。endprint