風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)初探

郭龍

摘 要：隨著我國新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入到了快速發(fā)展時期，為最大限度的提高風(fēng)力發(fā)電效能，就要對其控制技術(shù)進行應(yīng)用。本文主要分析了鼠籠異步發(fā)電系統(tǒng)、無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)、雙饋發(fā)電系統(tǒng)的原理、性能特點，探后結(jié)合其控制方法的優(yōu)缺點，對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)未來發(fā)展進行了探討，旨在為我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展盡一份綿薄之力。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)；控制技術(shù)；發(fā)展

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.166

風(fēng)能發(fā)電技術(shù)是一種環(huán)保、無污染的新能源開發(fā)技術(shù)，利用風(fēng)力取之不竭、用之不盡的特點，來應(yīng)對當前日趨枯竭的能源環(huán)境。自上世紀七十年代以來，世界上的國家就逐步開始對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進行研究，上世紀末，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展速度令人側(cè)目，世界上風(fēng)力發(fā)電裝機容量逐年上升。結(jié)合風(fēng)力發(fā)電過程以及發(fā)電機控制技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要分為變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)和恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，而風(fēng)力發(fā)電機的主要運作方式則分為常規(guī)電網(wǎng)電源和獨立電源兩種供電形式。不同的技術(shù)所帶來的效果各不相同，本文就此進行了相應(yīng)的論述。

1 鼠籠異步發(fā)電系統(tǒng)

鼠籠異步發(fā)電機和平時用的三相鼠籠電動機相同，因其自身無法產(chǎn)生磁場（并網(wǎng)前），所以必須在并網(wǎng)后通過吸收電網(wǎng)無功來產(chǎn)生磁場，當電動機的轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速時候，由于轉(zhuǎn)子鐵芯的磁場（轉(zhuǎn)子鐵芯在定子磁場下感應(yīng)的渦流形成的磁場）轉(zhuǎn)速略高于定子磁場轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)子磁場帶動定子磁場旋轉(zhuǎn)，電機即由電動機變?yōu)榘l(fā)電機運行（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1）[1]。

圖中功率變換器為并網(wǎng)雙向晶閘起動裝置，P→指功率工作方向。該系統(tǒng)的控制策略由定子側(cè)來實現(xiàn)，變頻器的容量和發(fā)電機容量之比大于100%，導(dǎo)致該系統(tǒng)的運作成本較高，且體積重量也比較大，因為變頻器和電網(wǎng)直接相接，所以會不可避免的出現(xiàn)一定諧波污染（導(dǎo)致輸電線路、變壓器和電機損耗增加）。但是該系統(tǒng)有著堅固耐用、運行可靠的優(yōu)點，并且出現(xiàn)故障也易于維修，所以其應(yīng)用程度較為廣泛，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，多用于100千瓦以下的離網(wǎng)型系統(tǒng)中[2]。

2 變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)

簡單來說，該系統(tǒng)的控制方式就是風(fēng)力機采取變速運行的模式，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化而變化，但可以通過電力電子變換裝置得到恒頻電能。根據(jù)貝茲理論，理想情況下風(fēng)能所能轉(zhuǎn)換成動能的極限比值為16/27約為59%[3]。

恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的所采用的風(fēng)力發(fā)電機只能固定在某一轉(zhuǎn)速上，但是風(fēng)能具有一定的隨機性，其能效會受周圍環(huán)境的影響而變化，所以風(fēng)力機必定會偏離最佳速度，這就必然會在一定程度上降低發(fā)電效率，而變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)就能夠在風(fēng)速變化的條件下，來適當調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而讓其一直保持著在理想的轉(zhuǎn)速下運行，確保發(fā)電效率。變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)是目前主流的風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)，對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而語言，風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)該盡可能的確保能量轉(zhuǎn)換效率，而變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)主要通過控制電機轉(zhuǎn)矩，來實現(xiàn)高效率的能源轉(zhuǎn)換。

3 雙饋發(fā)電變速恒頻系統(tǒng)

雙饋發(fā)電變速恒頻系統(tǒng)是使用雙饋繞線式發(fā)電機的風(fēng)力發(fā)電機組，所謂雙饋，指的是雙端口饋電，定子和轉(zhuǎn)子可同時發(fā)電，互相切割磁感線。通常來說，雙饋電機必須配合變頻器使用，變頻器給雙饋電機轉(zhuǎn)子施加轉(zhuǎn)差頻率電流，起到勵磁的作用，有效調(diào)節(jié)勵磁電流的相位、頻率、幅值，實現(xiàn)穩(wěn)定的定子恒頻輸出。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，無論風(fēng)力作出什么樣的變化，當電機轉(zhuǎn)速改變的時候，利用變頻器就可調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度，從而讓電機的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速之中保持同步（轉(zhuǎn)子勵磁電流改變轉(zhuǎn)子磁勢）。該系統(tǒng)主要是依靠轉(zhuǎn)子側(cè)來實現(xiàn)的，通過轉(zhuǎn)子電路的功率由交流勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)速運行來決定，所以該系統(tǒng)的成本較低，設(shè)計較為簡便，且后期的維護也十分便捷。另外，該系統(tǒng)還能吸收更多無功功率，可有效解決電壓升高的弊端，從而有效提升電網(wǎng)運作效率，保障電能換換質(zhì)量以及穩(wěn)定性。

4 無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)

無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)是目前風(fēng)力發(fā)電中的新型控制系統(tǒng)，其運作原理和傳統(tǒng)交流電機差別較大，無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)中的電子定子，具有兩套不同極數(shù)的三組繞組，可分別稱為控制繞組和功率繞組，通過電機轉(zhuǎn)子的磁動勢來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，如果改變相應(yīng)的頻率以及相位，就可改變電機的運行方式。無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)和普通系統(tǒng)的主要區(qū)別在于，電機定子上有一套控制繞組，可通過調(diào)節(jié)繞組上的電流頻率來改變轉(zhuǎn)速，不過該技術(shù)的制造成本較高，并且無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)的體積較大。

5 技術(shù)發(fā)展和展望

為提高風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的實際應(yīng)用價值，降低諧波電流污染，實現(xiàn)更為穩(wěn)定可靠的運行，促使風(fēng)力發(fā)電向智能化、微風(fēng)化、直驅(qū)化發(fā)展。首先，要實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電規(guī)模化、大型化，盡可能減少風(fēng)力發(fā)電占地；其次，要采用變速恒頻技術(shù)，盡可能的縮小大型風(fēng)力發(fā)電機體積，降低生產(chǎn)成本；最后，要實現(xiàn)智能化控制，利用模糊計算以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，來克服風(fēng)力發(fā)電時的非線性因素，進一步提高風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性以及安全性。

6 結(jié)束語

綜上所述，我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)水平在不斷提高，但是仍舊有許多問題亟待解決，所以要正視目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)存在的問題，積極爭取社會各方的支持，在原有的基礎(chǔ)上不斷突破創(chuàng)新，投入一定的資金，不斷完善相關(guān)政策，從而實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的良性發(fā)展，讓風(fēng)力發(fā)電技術(shù)真正成為我國電力供應(yīng)的主流技術(shù)。

參考文獻：

[1]趙若焱.風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)新進展探究[J].內(nèi)燃機與配件，

2018（13）.

[2]王剛，田野.風(fēng)力發(fā)電機槳葉柔性控制技術(shù)的研究及機組優(yōu)化[J].通信電源技術(shù)，2017.

[3]李志偉，徐成鑫.關(guān)于風(fēng)力發(fā)電電氣控制技術(shù)發(fā)展研究[J].中國科技縱橫，2017（01）.