風力發電及其控制技術初探

李桂紅

【摘 ?要】隨著我國經濟的發展，人們生活水平有很大提高，對電能的需求也越來越高。在能源緊缺的現代，新型發電方式逐漸開發出來，風力發電在近年來運用較為廣泛，現代控制技術融入到風力發電中，使得發電效率大大提升。圍繞控制技術展開討論，介紹幾種典型的控制技術。相信在科技的發展下，更多的技術會被運用到發電系統中。

【關鍵詞】風力發電;控制技術

引言

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

1我國風力發電的現況

我國風力發電的發展在技術方面上分為三步，一是引進新技術，二是把技術消化吸收三是進行自主創新。現如今，在這方面我國以快速發展起來。例如，我國的風力制造業不斷提升。還有隨著國內5WM容量等級風電產品的不斷改進，我國的兆瓦級機組在風力發電市場被大量使用。雖然我國的風力發電機組制造業和配置零組件的發展足以滿足所需，但是一些高級配置仍然需要從國外進口。所以，培養自主創新能力和不斷探索新技術迫在眉睫。

目前，是創新的年代，是需要快速發展的時代，新能源就是一個活生生的例子。作為新能源的一個重要部分，風力發電近年來的發展越來越好。全球的能源越來越少，之前的能源已經不足人們也已經意識到了這個問題，風力發電無污染，施工時間比較短，投資也不多，而且需要的地區也不多，這就使得各個國家對其越來越關注。在風力發電系統中，并網逆電器是一個非常重要的裝置，其特性的好壞決定了發電是否靈活。隨著信息技術的發展，人們也將風力發電系統做出了很多改變，使其性能得到了很大改進，促進了其進一步發展。

2風力發電及其控制技術研究

2.1微分幾何

該項技術由數學知識演變而來，其包括一定的線性關系，控制過程就是利用這一特性來完成的。此技術的控制原理如下：該數學知識表現出來的系統實際是非線性的，經過某種處理后，成為具有一定功能的線性系統，致使控制技術逐漸趨于完善。對于風力發電本身，其系統本來就是非線性的，風速的大小是人為無法控制的。當使用此技術時，首先要將這一問題進行解決。然后是對雙饋發電機的各項操作，主要是對經過電機的各項數據進行反饋解耦，這一過程需要將非線性情況向線性轉化，從而實現動態解耦。這對發電效率的提升非常有幫助，裝置能夠盡可能多的捕獲風能。

若風速過大，需要將電機的轉速適當調低，這樣才能保持其功率不變。通過一系列的步驟，裝置將很好地完成向線性關系轉化的過程，根據這一關系，可設計出符合實際情況的發電機組，減少企業成本的同時，保持充足的電能供應。現行控制的精確程度很高，但計算過程中會遇到阻礙。且該技術對CPU的要求很高，普通的CPU無法使用到此技術當中。目前研究人員正在攻克兩類難題，可見該項技術具有廣闊的發展空間。

2.2變速恒頻發電系統

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

恒速恒頻發電系統的所采用的風力發電機只能固定在某一轉速上，但是風能具有一定的隨機性，其能效會受周圍環境的影響而變化，所以風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電效率，而變速恒頻發電系統就能夠在風速變化的條件下，來適當調節轉速，從而讓其一直保持著在理想的轉速下運行，確保發電效率。變速恒頻發電系統是目前主流的風力發電機組控制系統，對于風力發電系統而語言，風力發電機組應該盡可能的確保能量轉換效率，而變速恒頻發電系統主要通過控制電機轉矩，來實現高效率的能源轉換。

2.3自適應與滑模變結構

該項技術運用到發電過程中，可以捕捉系統快速變化的各項數據，將系統處于實時監測之下，實現對各運行參數的良好把控。該技術的工作原理如下：系統運行過程當中，若發現明顯的波動，此技術控制的監測裝置就能精確捕捉到這一點，然后系統對該突變點進行分析，根據分析結果對發電裝置的相關速度參數進行適當調整，保證發電過程的順利進行。在以往的系統當中，若想控制運行速度，需要先建立起相應的虛擬模型，由于數據變化的無規律性，模型的建立是非常困難的。錯誤的模型會誤導工作人員，這對速度的控制是非常不利的。該項技術的出現很好解決了這一問題，自適應也是目前在風里發電中應用最多的技術之一。

此項技術的最大特點，就是對各種切換開關的靈活控制。當系統運行不再需要這一檔速度時，該結構接收到系統傳來的相關變檔信息，然后做出反應，自動將該檔位的開關閉合，打開系統需要的相應檔位開關。系統運行中，人員無需對發電裝置重啟，即可實現對裝置換擋的控制。該技術的特點主要體現在這幾點：設計簡單，并不需要過于復雜的結構;可隨時進行相應的切換工作，具有較強的靈活性;系統參數變化時，不會影響到該結構的正常控制，具有很強的穩定性。該技術能夠將自然干擾與裝置隔離開來，最大程度保證發電過程正常進行，沒有外界環境的影響，系統將會處于非常穩定的狀態。

2.4雙饋發電變速恒頻系統

雙饋發電變速恒頻系統是使用雙饋繞線式發電機的風力發電機組，所謂雙饋，指的是雙端口饋電，定子和轉子可同時發電，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子施加轉差頻率電流，起到勵磁的作用，有效調節勵磁電流的相位、頻率、幅值，實現穩定的定子恒頻輸出。在風力發電系統中，無論風力作出什么樣的變化，當電機轉速改變的時候，利用變頻器就可調整旋轉速度，從而讓電機的轉速和風速之中保持同步（轉子勵磁電流改變轉子磁勢）。該系統主要是依靠轉子側來實現的，通過轉子電路的功率由交流勵磁發電機轉速運行來決定，所以該系統的成本較低，設計較為簡便，且后期的維護也十分便捷。另外，該系統還能吸收更多無功功率，可有效解決電壓升高的弊端，從而有效提升電網運作效率，保障電能換換質量以及穩定性。

2.5無刷雙饋發電系統

無刷雙饋發電系統是目前風力發電中的新型控制系統，其運作原理和傳統交流電機差別較大，無刷雙饋發電系統中的電子定子，具有兩套不同極數的三組繞組，可分別稱為控制繞組和功率繞組，通過電機轉子的磁動勢來實現能量轉換，如果改變相應的頻率以及相位，就可改變電機的運行方式。無刷雙饋發電系統和普通系統的主要區別在于，電機定子上有一套控制繞組，可通過調節繞組上的電流頻率來改變轉速，不過該技術的制造成本較高，并且無刷雙饋發電系統的體積較大。

結語

以上是對現代控制技術的詳細介紹。通過對幾類典型技術的分析，可看出其在風力發電過程中發揮的重要作用。新型技術的融入，使風力發電擺脫人工操作的局限性，逐漸朝著自動化方向發展。對功率、風速等的有效控制，將發電機保持在最佳工作狀態，且大大延長槳葉、電機等裝置的使用周期。在科技的支撐下，控制技術還有很大發展空間。

參考文獻：

[1]黃建峰.全球風力發電的現狀及展望[J].動力與電氣工程，2013.

[2]方永，胡明輔.風力發電的現狀與進展[J].可再生能源，2013.

[3]劉彥東.風力發電現狀及對策[J].內蒙古石油化工，2012.

（作者單位：國網太原供電公司）