風力發電及其控制技術研究

王以笑 崔麗艷

摘要：當今時代，人類發展對能源的需求日益增大，能源是促進社會發展的必備條件。隨著化石能源的需求量越來越大，化石能源的日益枯竭和帶來的日益加重的環境污染問題，開發無污染可再生的新能源迫在眉睫，其應用前景也非常廣闊。風能作為一種常用的綠色能源，其分布廣泛，資源豐富，開發和利用的技術相對簡單，可控性好，因此越來越受到各國的重視。本文就風力發電技術的工作原理進行了探討，并對風力發電系統控制技術的實際應用進行分析。

關鍵詞：風力發電系統;控制技術;應用

引言

風能作為我國的清潔能源之一，將其應用于發電技術中，遵循了我國綠色可持續發展理念，風力發電技術也成了我國最為常見的發電技術之一。由于我國的風力發電系統控制技術還存在著一定的缺陷，導致我國風力發電機組的發電效率較低，制約了我國風力發電技術的進一步發展。所以，為了提高我國的風力發電技術，必須要加強對風力發電系統控制技術的研究。

1風力發電系統的工作原理

風力發電的原理是把風能轉化為機械能，再將機械能轉化為電能進行輸出。具體過程是通過風帶動風機葉片轉動，從而使發電機內部線圈旋轉切割磁場，最終產生感應電流，經箱變或升壓站升壓后送入電網。通常風力發電機由風輪葉片、低速軸、高速軸、風速儀、塔架、發電機、液壓系統、電子控制系統等部件組成。其中，風輪是將風能轉化為機械能的裝置，根據發電機轉速的大小調節葉片的槳矩角，可以最大限度地利用風能。塔架是連接支撐風輪和發電機的支架，其高度是由風輪直徑大小和項目所在地風況參數決定的，以確保風電機組的正常運行并獲得較高的發電量。發電機是將風輪產生的機械能轉化為電能的裝置。在風機構造中，定義風輪葉片尖端線速度與風速之比為葉尖速比，是風機的重要參量，其大小是影響風機功率系數的重要參數。通過設計葉片的不同翼型，可以改變葉尖速比。風機組的功率調節是風力發電系統的關鍵技術手段，其主要方式包括定槳距失速調節、變槳距失速調節和主動失速調節三種。定槳距失速調節將風機葉片和輪轂固定，葉片頂角不能隨風速進行調整，其結構相對簡單，可靠性強，風機輸出功率隨風速而變化，因此在低風速下其利用率較低。變槳距調節是通過改變槳距角調整風能的轉化效率，盡可能的提高風能轉化效率，使風機輸出功率保持平穩。主動失速調節是通過葉片主動失速來調節輸出功率。當風速低于額定風速時，通過控制系統進行調控;當風速超過額定風速時，變槳系統通過增加葉片攻角使葉片失速，從而限制風輪的吸收功率。

2風力發電及其控制技術的研究

2.1風力發電和電力電子變換器的控制技術

2.1.1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。

2.2.2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。

2.2風輪的控制技術

2.2.1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。

2.2.2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。

2.3風力發電中無功功率補償技術與諧波消除技術

2.3.1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。

2.3.2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加強風力發電控制的舉措

首先，需要加大研發和管理力度，促進風電產業結構調整，不能過分依賴產品和技術進口，要建立完善的人才培養機制，積極創新，研發出具有自主知識產權的風電技術。其次，由于我國風力資源分布不平衡，需要進一步研發遠距離傳輸的電力設備，讓不同地區的風電資源得到共享。同時要進一步普及風電給社會經濟和環境保護帶來的益處，讓更多的人接受風電新能源。最后，安全是風力發電技術最重要的環節，也是保障居民人身安全的重要因素。因此必須加大風電技術的安全管理，杜絕一切可能發生的安全隱患，在人因稀少的偏遠地區增加監控力度，密切關注風電設備的各項運行指標，一旦發現異常，要及時處理。

結束語

隨著我國社會經濟的持續發展以及國民生活水平的進一步提高以及人們環境意識和清潔能源意識的增強，各地開始了對清潔能源的研發，并建立起大型的風能發電站，風力發電系統在我國得到了廣泛應用。風力發電技術涉及多種力學技術以及空氣動力學、材料學和機械學。有關管控風力發電的技術在當下風電行業中有著較大的研究價值。風力發電系統需要科學合理地管控好風輪，并且進一步調整風能的大小，對變換器和發電機的控制能夠促進發電質量和效率的提升。

參考文獻：

[1]喻挺.風力發電及其控制技術新進展探究[J].智能城市，2018，4（18）：166-167.

（作者單位：許繼集團有限公司）