風力發電及其控制技術研究

郭哲坤

（大唐山西新能源公司，山西 太原 030000）

近年來，我國的經濟發展速度加快，人們在生產生活中需要越來越多的能源和資源，但是能源和資源是有限的，所以科學界陸續研發新型能源。而風能是可再生性能源，它在我們國家的運用較為普遍，其開發的難度較小。另外，風能給環境帶來的污染是很小的，不需要投入太多的成本即可產生較大的能量，具有較好的應用前景。從現階段一些專家學者對風力發電的研究來看，風力發電的主要研究內容是發電機的制造以及風機的管控，如果要充分發揮風力發電的作用，就應該對風力發電技術深入研究，具體到風輪的控制、變壓器的運行、發電機等。

1 風力發電及其控制技術的進展情況

（1）國內風力發電的具體情況。從技術的角度來看待風力發電，可以發現，我們國家風力發電企業堅持三步走的戰略，通過引進其他國家的先進技術、進一步消化和吸收、自主研發和創新。現在，國內主要使用的風電機組都是兆瓦級別的，這說明我國現在掌握了自主研發兆瓦級風機能力。另外，生產和制造風電設備行業也有了較大的發展，中國自產的機組具有較大的市場份額，并且國產的風電裝備與現在的風電發展需求相一致，比如說，風電機與一些重要的零部件，然而技術要求更高的零部件還是依靠國外進口，如變流器和主軸軸承這類零部件。所以要不斷地創新風電裝備制造技術，具備自主研發的技術和能力，而風電控制技術是風力發電技術的重要內容，在當下的研究中具有重要意義。

（2）風力發電系統的控制。由于自然風在不同時期和不同氣候條件下會出現不同風速和風向，所以有效地控制發電系統是一項重要的工作，首先需要有效地控制好機組內的切入和切出電網、對輸出功率進行控制、并檢測風輪是否出現運行故障、做好保護措施。風力發電系統的控制技術由之前的定槳距恒速運行技術發展至現在的變槳距變速運行技術，有了較大的突破和超越，達到了城市中基本的供電指標。在風力發電機組中關鍵的技術是機組功率的調節技術，包括主動失速、定槳距失速和變槳距調節等。當下，風力發電機組具備了變槳距變速運行技術，對風速和風向的變化進行控制，另外，風力發電控制系統不只是在機組內達到脫網、并網和調向控制的作用，還可以通過變距系統進一步管控好機組的運行速度和功率，從而確保風力發電機組的安全以及速度的加快，推動電力行業的快速發展。

2 風力發電及其控制技術的研究

（1）風力發電和電力電子變換器的控制技術：①電力電子變換器的控制技術。從整個風力發電系統中可以發現，存在著電力電子變換器，并且電力電子變換器的特征表現在多方面：使用面較為廣泛，可以有效地用于大型風力發電系統中；風能轉換過程中能量的轉換率較高，完成轉換后具備很高的傳輸效率；還可以完善無功功率因素；其使用的安全性和可靠性很高。電力電子變換器的運行功率高且功率范圍也很大；該設備無須花費很多成本。通過運用pwm 整流器于風電系統中，能夠最好地控制系統的最大功率。而運用整流器的時候，通過矢量的控制方法可以解除有功功率和無功功率之間的障礙，保證無功功率符合運行的相關要求。另外，pwm 整流器還可以使有功功率的輸出量最大化，設置好直流環節并調整風電系統中無功和有功功率。②風力發電的控制技術。風力發電需要借助風力進行，這是因為風力與地面距離相差加大，這樣一來，能量轉化工作在空中就能完成。發電機和相關設備都需要努力提升工作效率，并且減輕物體的體重。永磁發電機的優勢在于運行效率高且損耗較小，所以被普遍運用于風力發電系統中。發電機制造還可以通過模塊化方式開展，這樣能減少所需花費的成本，對風力發電系統的發電機進行管控的過程中，一般都會采用矢量的控制方法，這類方法有效地解除了交軸電流與直軸電流之間的矛盾，也就使系統功率的因數控制簡單化。

（2）風輪的控制技術：①利用功率信號的反饋。利用功率信號的反饋進一步管控好風輪的功率信號，當風輪運行時，它們的功率與實際條件的改變是一致的，然后再對功率的關系作出分析，之后繪制出最大功率的曲線圖，完成以上工作后接著做后面的工作。在實際操作時，還應該對比最大功率與系統中的實際輸出功率，獲取它們的差值大小，之后再進行風輪槳矩的調整工作，這樣才有助于風輪的運行功率最大化。這種方式使成本無須花費過多，但是風機在正常運行時要獲得最大功率曲線較為困難。②管控好葉尖速比。受到風力作用的影響，風輪中風葉尖端轉動時具有線速度，并且將其稱為葉尖速。其中葉尖速比表示為葉尖速與這個時間之內的風速形成的比值。對葉尖速比進行控制的主要方法是控制葉尖速比值，從而進一步改善風機的運行系統。因為風速不相一致，所以很難有效地確定出最合適的葉尖速比，應該適當地改變和調節葉尖速，并調節好風輪轉矩，這樣才能更好地調整風輪外邊緣的速度，使葉尖速比得到優化處理。

（3）現代化的控制技術。風力發電中現代化的控制技術可以分為以下幾種類型：魯棒控制技術、變結構控制技術、智能控制技術以及自適應控制技術，風力發電系統中，以變結構控制技術為主，該技術運用廣泛是因為具有很快的反應力、設計較為簡單、實現難度不大；處理一些多變量問題時，魯棒控制技術可以發揮出很好的作用，具有較強穩定性的魯棒控制技術還能有效地處理好參數不準、建模出現誤差或者物質系統受影響的問題；而智能控制技術最突出的方法是模糊控制，它無須過度依賴數學模型，只需憑借專家經驗就能克服一些非線性因素帶來的影響。目前，一臺準確的風力發電機數學模型的建成概率較小，所以對風力發電機組進行控制的過程中，可以多使用模糊控制方法。

（4）風力發電中無功功率補償技術與諧波消除技術：①無功功率補償的技術。在感性元件的影響下，發電系統中一些無功功率呈現出消耗的狀態，電壓經過感性元件的時候，因為只是無功功率的消耗使得感性元件兩邊無電壓變化，但是當電壓較高時，經過感性元件的電流較大會給元件帶來間接破壞。這時候，就要結合實際情況采取無功功率補償技術，并且壓抑住諧波作用。雖然無功功率補償的應用很廣，但還是存在一些不足。②諧波消除的技術。風機發電的時候，由于存在諧波就是整個電能的質量不高，也給電的電壓及頻率造成不良影響，使無功功率與有功功率間缺乏平衡，所以一定要把存在的諧波消除掉。具體開展過程中，因為諧波會影響風能的發電，首先，它會造成發電機的鐵損和銅損，在發電機內產生超同步諧振的現象；電力設備在運行時，諧波會造成設備出現熱故障，影響系統的正常運行等。而消除諧波可以從以下幾個方面入手：第一，使用電力變流器和一些電力設備讓相應的相位與諧波進行抵消；第二，適當調整電容器組，進而改變無功功率，從而減少諧波對無功功率的影響；第三，運用三角形的連接方式，這樣能減少諧波的進入量。

3 結語

當下，風力發電產業發展前景很良好，但還是存在一些問題需要我們去解決和思考。很多風力發電企業還需要引進其他國家的先進技術，不光是風力發電機的控制系統，還有風力發電設備的制造，都需要借助其他力量才能完成。另外，在研制一些關鍵的零部件上，我們國家尚不具備先進的風力發電技術，并且規范程度也較低，所以這需要風力發電企業在重視自主研發技術、學習先進技術的基礎上不斷創新，從而形成自主知識產權，不斷地促進我國風力發電技術的發展和進步。