風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率控制策略初探

徐冬青

（寧夏銀星能源股份有限公司，銀川750021）

1 引言

相對于傳統(tǒng)能源來說，風(fēng)能的開發(fā)利用不僅成本低，而且環(huán)保安全，最重要的是風(fēng)能是可再生能源。目前風(fēng)能的開發(fā)利用主要是風(fēng)力發(fā)電。在實(shí)際工作中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對風(fēng)力的利用率是比較低的，因此專家對風(fēng)力利用率的提高技術(shù)研究一直沒有間斷。

2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)概述

2.1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)原理

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)指的是將風(fēng)能通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電的過程就是把風(fēng)能經(jīng)由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程由風(fēng)輪實(shí)現(xiàn)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程由風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的基本原理是風(fēng)的動(dòng)能通過風(fēng)輪轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)換為電能。在這個(gè)過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多為水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它由多個(gè)部件組成，包括葉片、輪轂、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、主軸、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等。

2.2 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)

風(fēng)能發(fā)電在近10年來已取得飛速發(fā)展，目前，全球風(fēng)電裝機(jī)容量已近4 270億MW。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)能夠得到大量的推廣與它的特點(diǎn)是分不開的。風(fēng)能屬于可再生能源，風(fēng)力發(fā)電有充足的能源支持；風(fēng)力發(fā)電技術(shù)建設(shè)周期短以及裝機(jī)規(guī)模靈活，在風(fēng)能充足的地方可以用最短的時(shí)間建立風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施，可以用最快的速度將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為需要的電能；可靠性高和成本低使得風(fēng)力發(fā)電的推廣使用迅速提高；風(fēng)力發(fā)電在操作運(yùn)行方面也是比較簡單的，而且風(fēng)力發(fā)電建設(shè)占地面積小。風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)總結(jié)下來就是能源充足，操作簡單，成本低無污染。

3 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的推廣和使用，在不斷的實(shí)踐操作中，得到了越來越多的改善。將原有的風(fēng)力發(fā)電單機(jī)容量小做了調(diào)整，增大了單機(jī)容量，同時(shí)也為了不占用更多的陸地資源，將風(fēng)力發(fā)電陸地風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｉ巷L(fēng)，恒速發(fā)電機(jī)組向變速發(fā)電機(jī)組發(fā)展，有齒輪箱向直驅(qū)永磁式發(fā)展，小葉片低塔筒向長葉片高塔筒發(fā)展。

3.1 單機(jī)小容量向大容量的發(fā)展

目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量雖然已經(jīng)得到了較大改善，增大了單機(jī)容量，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在很大的不足，必須有新的突破才能適應(yīng)日益增長的電力需求。先進(jìn)國家的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量已經(jīng)朝著40MW的方向發(fā)展，因此應(yīng)該加快研究力度，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)力發(fā)電站，風(fēng)能的利用率將大大提高[1]。

3.2 風(fēng)力發(fā)電由陸地風(fēng)電向海上風(fēng)電的發(fā)展

目前，陸地上的風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)得到了廣泛使用，但相對來說陸地上風(fēng)能充足的地方較少，因此風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能開始由陸地風(fēng)能向海上風(fēng)能發(fā)展，海上風(fēng)電場規(guī)劃規(guī)模不斷擴(kuò)大。將風(fēng)力發(fā)電場地建設(shè)在海邊不僅可以緩解陸地占用土地資源的問題，而且海上的風(fēng)能更充足，可以進(jìn)行大規(guī)模、大批量的生產(chǎn)，在成本上也會(huì)降低很多。我國將在沿海地區(qū)建設(shè)大量的風(fēng)力發(fā)電場地，到2020年底，全國規(guī)劃建設(shè)總?cè)萘窟_(dá)3000萬kW的海上風(fēng)電場。

3.3 風(fēng)力發(fā)電變速恒頻向變速恒頻直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)方向發(fā)展

目前風(fēng)力發(fā)電的主流是變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在可靠性和變流技術(shù)上，變速恒頻直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢。直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的使用，提高了系統(tǒng)的可靠性，全功率變流技術(shù)能夠很好地滿足低壓穿越要求。

3.4 風(fēng)力發(fā)電有齒輪箱向無齒輪箱發(fā)展

在風(fēng)力發(fā)電中有齒輪箱對風(fēng)力發(fā)電工作要求高，加工難度大，而且設(shè)備較為沉重。因此直驅(qū)式風(fēng)電技術(shù)得到迅速發(fā)展，無齒輪箱的直驅(qū)方式能有效地減少由于齒輪箱問題而造成的機(jī)組故障，減少風(fēng)電場維護(hù)成本，而且可靠性和效率都有較大提高。目前國際先進(jìn)的無齒輪箱直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理采用的是低速多極永磁發(fā)電機(jī)，這將會(huì)在未來受到廣泛推廣和使用。同時(shí)隨著直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組的不斷增多，全功率變流技術(shù)得到了廣泛發(fā)展和應(yīng)用，使風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的調(diào)速范圍擴(kuò)展到0至150%的額定轉(zhuǎn)速，全功率變流技術(shù)能夠很好地滿足低壓穿越要求，可提高機(jī)組的風(fēng)能利用范圍。

3.5 小葉片低塔筒向長葉片高塔筒的發(fā)展

風(fēng)電葉片是風(fēng)電機(jī)組中有效捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件，葉片長度隨風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的提高而不斷增長。根據(jù)頂旋理論，為獲得更大的發(fā)電能力，風(fēng)力發(fā)電機(jī)需安裝更大的葉片，更高的塔筒。針對我國大多數(shù)地區(qū)處于低風(fēng)速區(qū)的實(shí)際情況，國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過技術(shù)創(chuàng)新，風(fēng)輪葉片更長、塔架更高，捕獲的風(fēng)能資源更多，目前10 MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪直徑已達(dá)190 m，陸地普遍應(yīng)用的2.5MW風(fēng)機(jī)的葉輪直徑可達(dá)120m，塔筒高度達(dá)到100m，在低風(fēng)速區(qū)域有更好的風(fēng)能利用效率。

4 風(fēng)力發(fā)電功率控制策略

4.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制

在風(fēng)力發(fā)電中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在安裝結(jié)構(gòu)上根據(jù)風(fēng)輪葉片和輪轂可以分為定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)和變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩種。定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將葉片固定安裝在輪轂上，在工作過程中，槳葉是不會(huì)發(fā)生角度變化的。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際工作中必須解決風(fēng)速變化時(shí)槳葉自動(dòng)調(diào)節(jié)功率和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制動(dòng)功能。具體表現(xiàn)在：①變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)在葉片和輪轂之間采用非剛性聯(lián)結(jié)方式，這樣葉片就可以在工作中通過節(jié)距的調(diào)整，根據(jù)風(fēng)速調(diào)整葉片和輪轂之間的角度。在實(shí)際工作中，無論風(fēng)速怎么變化，葉片與輪轂始終保持在最佳的角度，在風(fēng)力發(fā)電中可以提高輸出功率；②在風(fēng)力過大超出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的切出風(fēng)速時(shí)，就會(huì)自動(dòng)停止工作，槳葉可以在風(fēng)力機(jī)停止工作時(shí)保護(hù)風(fēng)力機(jī)不會(huì)受到損害[3]。

4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中風(fēng)力機(jī)偏航控制是非常重要的組成部分。偏航控制系統(tǒng)在工作中與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相互協(xié)調(diào)，可以保持風(fēng)輪一直處在迎風(fēng)狀態(tài)，這樣可以很大程度上提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率，同時(shí)也可以保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全。風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)分為主動(dòng)迎風(fēng)偏航系統(tǒng)和被動(dòng)迎風(fēng)偏航系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)在工作中主要是在風(fēng)力發(fā)生改變時(shí)，可以更好地調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)，讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)始終處在風(fēng)向的正前方，這樣可以最大限度地捕獲風(fēng)能，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率輸出有很大提升[2]。

4.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制

在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)功率控制中，可以通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)來控制功率輸出。風(fēng)力發(fā)電機(jī)大多采用雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。雙饋異步發(fā)電機(jī)的最大好處就是可以根據(jù)風(fēng)速變化進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，這樣可以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行始終是最佳狀態(tài)，對風(fēng)能利用率的提高有很大幫助。同時(shí)，在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，通過控制饋入的電流參數(shù)，在保持定子輸出的電壓和頻率不變的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)穩(wěn)定。

5 結(jié)語

通過對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的分析，在實(shí)際工作中，為了更大限度提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了深入研究，同時(shí)對功率控制有了較大進(jìn)步。通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制、偏航系統(tǒng)控制以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制，在很大程度上提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率。