風力發電技術與功率控制策略初探

朱濤

摘 要：在我國能源體系當中，對于可再生能源的重視程度越來越高，相比較于核能以及火力發電來講，風力發電屬于一種低成本并且廉價又無污染的發電技術，在社會清潔能源結構當中所占比重越來越大。但風力發電的實際電能轉化效率還不到60%，可以說轉化利用率極為有限。因此在本文中，作者將分析風力發電技術及其功率控制。

關鍵詞：風力發電;技術發展;功率控制

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）09-0147-02

0 前言

在新世紀發展過程中，對于不可再生能源的使用，已經漸漸的受到了控制，因此，在能源結構中，可再生能源的發展正在增加。社會各國新能源技術開發過程中，風力發電屬于最主要的一種，尤其是隨著石油能源以及其它不可再生能源的減少，風力發電所受到的重視程度越來越高。風力發電最早在19世紀末期就出現了，經過100多年的發展到現如今已經漸漸成為社會能源的主要來源之一。而我國因為用電量需求增長，對于風力發電技術的重視程度以及發展水平也越來越高。因此針對于風力發電技術的研究工作在不斷開展，并且不斷進步，對功率控制問題的研究也在不斷深入，對功率控制存在問題也在不斷的進行改善。

1 風力發電技術發展趨勢

1.1 風電機組容量大型化

對風電機組來講，在發展過程中風電機組單機的容量會從小容量向大容量逐漸進行轉變，這也是風電機組單機容量的發展趨勢。現如今在市場中進行應用的風電機組單機容量，其容量都在一兆瓦以上，單機容量最大的已經達到了5兆瓦。而一些實驗室產品的單機容量已經達到了7兆瓦甚至是10兆瓦，在不斷發展過程中，甚至會出現20兆瓦，30兆瓦以及40兆瓦的巨型風力發電機。隨著發電機組容量的增加，風力發電的水平將會不斷的提升。

1.2 風力發電由陸地轉向大海

在風電技術應用的初始階段，大范圍應用區域都是在陸地上，隨著對風力渦輪機的重視程度增加，風力發電機組的數量也在不斷增長，所以這些數量激增的風電機組對于陸地資源的占用數量會大大增加，導致許多陸地資源被占用，所以將風力發電機組逐漸向海上進行轉移，是行之有效的解決措施。海上風電和地面風電的原理是相同的，風力渦輪機逐漸轉移到海上，能夠對陸地風力發電機組占用大量土地資源所導致的問題進行極大程度的解決，而且在海上風力資源是陸地上的三倍，所以在廣闊的海域當中，可以很好的解決占用陸地資源的情況，解決由陸地風電公司和大型風力渦輪機設備投產過程中成本投入增加產生的問題，使得風力發電的成本大大降低。因此在各國發展過程中，對于風力發電機組海上化轉移，都制定了相應的章程以及計劃并且在逐漸進行中，發展到現如今，已經取得了極大程度的進展，為全球能源緊張問題做出了巨大貢獻，對自然環境的改善也起到了輔助作用。

1.3 發電機組間距，變槳速度恒定頻率發展趨勢

在風力發電過程中，與過去的風力渦輪機的恒速運行相比，相應的風力渦輪機技術也在不斷改進。在風力發電機組當中應用變速運行技術，能夠使發電機組對于風能捕獲達到最大程度，而且當風力發電機組所在區域的風速不斷進行變化的時候，通過變速操作能夠調節風力渦輪機自身的風力渦輪機速度，從而將風機速度保持在最佳水平。而且通過變速運行，可以使風力發電機組機械的應力降低，對風能的捕獲百分比增加，同時變速發電機組在生產制造過程中適應性非常強，制造成本又比較低，而且效率又比較高，所以正在逐漸取代恒速風電機組。

對于風力渦輪機的槳距，在技術未得到顯著性改變之前使用的是固定槳距，現在變槳距經過不斷完善，已經逐漸取代風力渦輪機中使用的固定槳距。將風機應用于風力發電，在實際應用過程中，風力發電機的啟動性能將得到改善，風力發電機的輸出功率將變得更加穩定。在實際運行期間，風力渦輪機的結構載荷將變小。最重要的是應用變槳距，可以對風速高于切出風速的風電機組進行有效的保護，避免其被破壞，延長其使用壽命。缺點是因為變槳距所擁有的功能更多，所以其發生故障的幾率也會更高，在實際應用過程當中對其進行操控需要極高的技術水平。

1.4 發電機無齒輪箱化發展

在風力發電技術的不斷發展中，風力渦輪機也在不斷升級，從過去的變速箱到無齒輪箱直驅永磁風力渦輪機。這種無齒輪箱的風力發電機在應用過程中，使工作要求變得非常低，而且加工難度也比較小，由于移除了增速齒輪箱，風力渦輪機的軸承直接連接到葉輪軸。因此，在風力發電電能進行輸出的過程中，需要應用于大功率電力電子變換器來整流頻率不斷變化的交流電。然后再進行逆變輸出，可以輸出到國家電網當中。無齒輪箱的風力發電機其運行的系統效率會更加高，而且運行安全性穩定性會更好。

1.5 結構發展趨勢

早些年發展過程中，風力發電機組因為材料限制以及技術限制，所以結構設計方面存在著很多不足。在近幾年發展過程中，因為科技的進步以及材料技術的進步，對于風力發電機組來講，在發展過程中逐漸變得更加安全，可靠性也得到了顯著提升。此結構之所以向著該方向發展，主要是因為風力發電機組在使用過程當中大多數都存在著使用壽命短的缺陷，所以通過對其結構進行重新設計和改善，使風力發電機組的轉子可靠性得到提升，同時對風機的系統進行全面的優化改善設計將材料選用的更好，使得控制能夠變得更加穩定安全。通過對風電機組結構進行優化改善設計，能夠使風電機組的負荷大大降低，而且風機的整體重量以及制造費用也會得到降低。

2 風力發電機組功率控制

2.1 風力發電機變槳功率控制

在對風力渦輪機進行分類的過程中，我們可以在安裝過程中根據風力渦輪機對風力渦輪機葉片和輪轂的安裝結構進行分類。它可分為兩種主要類型：固定螺距風力渦輪機和可變螺距風力渦輪機。前者，即固定螺距風力渦輪機，在安裝過程中，將發電機的葉片安裝并固定在輪轂上。因此，當使用風力渦輪機時，如果風速改變，則風力渦輪機的葉片安裝角度將不會改變。因此問題是，如果風力渦輪機的風速在運行過程中高于風力渦輪機的額定風速，固定槳距風力渦輪機不能自動調節功率，使得難以圍繞風力渦輪機的額定功率擺動。同時，在使用風力渦輪機的過程中，固定節距風力渦輪機難以進行緊急制動，因此風力渦輪機的安全性將受到很大影響。而這類問題在葉尖擾流器研制成功之后，并且將其應用在定槳距風力發電機組當中之后，得到了顯著改善。

而變槳距發電機組在發展過程當中，因為可靠性與穩定性問題的存在，導致變槳距技術在最初發展過程中所受到的重視程度不高，在后續的發展過程當中，不斷對變槳距控制技術進行研究改善，通過不斷研究與改進使得變槳距風力發電機組可靠性問題得到了控制和改善，隨后才開始在風力發電過程當中進行了廣泛應用。對于可變節距風力渦輪機葉片和輪轂之間的安裝是非剛性連接。采用這種連接方式，可以圍繞葉片桁條調節風力渦輪機的葉片。因此在風力發電機運行過程當中，可以根據不同的方向來對其功角進行調節，即使在變換頻繁的風速下，風力發電機葉片的功角也能夠始終維持在最好的角度，所以在風力發電過程當中，輸出功率也始終保持在最佳狀態，輸出功率也會最大。風力發電機組運行過程當中，風力渦輪機周圍的風速比風力渦輪機切斷風速要高很多的時候，可以在風力渦輪機需要進行緊急制動作業的時候，通過變槳距來實現，提高制動安全性，降低制動過程中存在的安全隱患。這主要是因為風力渦輪機葉片是羽毛狀的，所以在制動過程當中，即使外部的風力沖擊比較大，對于風力渦輪機也不會產生很大的影響。

2.2 風力發電機偏航控制功率

對于風力渦輪機，偏航控制系統是重要的部件，其對于風力渦輪機的控制非常重要。偏航控制系統的部件主要是偏航軸承、偏航驅動器、制動計數器、絞合電纜保護和液壓回路。它與風力渦輪機控制系統一起使用，在偏航控制系統的作用下，可以確保風力渦輪機的風力渦輪機在運行期間始終處于迎風狀態。不影響風力渦輪機的發電操作，并且將提高發電效率。偏航控制系統可分為兩種類型，被動前風和主動迎風。無源迎風型用于小型獨立風力發電系統，偏航控制系統將被動地面向風。主動逆風偏航控制系統用于大規模并網風力發電系統，并且在應用過程中需要從順風方向接收風向標信號。然后，風力系統被主動控制以用于風力操作。

因為對于風力發電機組來講，處于自然界當中的風速不是固定不變的，所以需要對風力發電機艙進行不斷轉動，風力渦輪機的風力渦輪機始終處于正風狀態，以增加自然風冷卻的補充效率。但在實際應用過程當中，因為來自于下風向和風向儀的精度問題，所以導致偏航控制系統在調節過程當中，不能夠使風輪始終處于對方狀態，所以對自然界中風能的捕獲效率造成了極大程度的影響。

2.3 風力發電機控制功率

由于風力渦輪機的構造現在越來越大，用于構建大型風力渦輪機的大多數發電機是雙饋異步風力渦輪機。在風力發電機的結構中，定子繞組連接到工頻電網，轉子繞組可以調節頻率相位和幅度和相序。內部應用的變流器是交直交變流器。雙饋異步發電機可確保風力渦輪機即使在使用期間風速不同時也能正常使用。而且發電機的轉速還可以根據風速的改變來進行不斷的調節，對于風力發電機的機組運行來講始終處于最佳狀態，風能的使用效率得到了極大的提高。而且在輸出發電的過程中，可以實時控制饋入轉子繞組的電流參數，從而實現恒定的電壓和頻率，并提高風力發電系統的穩定性。通過風力發電機對風力發電過程中的無人機運轉功略以及輸出功率進行全面控制，提高對輸出以及發電的安全性，增加風電機組運行安全性與穩定性，提高風力發電經濟效益以及社會效益。

3 結語

風力發電機在現今應用的越來越廣泛，尤其是隨著能源結構的不斷改變，對于風力發電的重視程度也越來越高。在風力發電過程中，風力發電機的發電效率和運行安全性和穩定性是風力發電機組研究的重點。因此，在風電機組研究過程中，有必要不斷研究原風機的發展趨勢，不斷整合高新技術，提高風機的隨機運行效率。對于風力渦輪機的功率控制問題，有必要改進預定的風力渦輪機的結構和材料的質量，以提高風力渦輪機在不同風速下的運行效率。增加自然風能的捕獲，提高風力發電的發電效率和質量。

參考文獻

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