高效輕量化風機技術的探討

陳清風

【摘 ?要】我國風力發電電氣控制技術主要包括有變槳距發電技術、定槳距失速發電技術、主動失速發電技術以及變速風力發電技術，這些技術的應用過程有其優勢，也有其缺點，相信在科學技術的持續發展下，這些技術都能夠得到有效完善。在未來技術的發展的變革中，一定會有更多更有效的模型建立和技術變革從而應用在風力發電系統乃至電力系統中，到時候我國的風力發電技術一定會趕超世界強國。

【關鍵詞】風力發電機;電氣控制技術;發展趨勢

前言

我國目前的經濟發展速度飛快，同時也增加了對能源的需求量。由于風能是可再生的清潔能源中最重要的組成部分，因此對它的開發力度將日益加大。在此過程當中，風電技術的研發與進步顯得尤為重要。在未來的發展中，我們將投入更多的人力和物力資源來支持風電行業的發展，加快對風電行業的基礎設施建設和對技術方面的研究，優化我國的能源結構，為我國的經濟發展和節能減排作出重要貢獻。

1風力發電機概述

風力發電機就是一種能夠直接將機械能、風能轉化為電能的電廠機電設備。作為現代風力發電的主要實施機構，其由轉動裝置、塔架、對風裝置、傳動動力裝置以及風輪與發電機等多個構件組成。作為風電場最為重要的發電設備之一，其綜合效率以及運行穩定性直接影響到生產效率與安全。為了進一步提升安全性與穩定性，同時也為了獲得更高的經濟效益與社會效益，就必須關注風力發電機的運行與維護工作，通過不斷提升電廠風力發電機的維護水平來促進行業的健康可持續發展。

2風力發電概述

風力發電機一般包括兩部分：風機部分、發電機部分。根據風力發電機漿葉的功率調節方式，可分為定槳距機組、變槳距機組。前者漿葉、輪轂相連接，外界環境風風速變化時，迎風角不發生改變;后者根據定槳距風機進行了改進，風機葉片可圍繞中心軸轉動，保證葉片迎風角可調。兩種機組相比，后者可在額定功率之外仍維持較高的平穩度，性能更突出，在大型機組中應用較多。根據風力發電機組不同，發電機可分為：異步發電機、同步發電機。確保變流機組的合理性便可保證設備維持穩定的變速運行狀態。

3技術現狀

風力發電機是風電系統中實現風能轉換為電能的核心部件，風力發電系統主要由風輪、齒輪箱、發電機、功率變換器、變壓器等部分構成。風力發電機在發展初期均采用小容量直流發電機，隨著風電機組向大型化方向發展，交流發電機已成為當今風力發電機的主要形式。隨著風力發電技術的發展，風力發電機由早期的直流發電機、籠型異步發電機等演變為當前的雙饋異步發電機和低速直驅永磁同步發電機等。同時，風力發電機自身技術水平的提高，又有力地促進了風力發電整體技術的進步。例如，雙饋異步發電機及其控制技術的成熟，使變速恒頻風力發電得以實現，成為當前風力發電系統的主流。若根據風力發電機的運行特征為標準，風力發電機又可分為恒速風力發電機（Fixed speed generator）、有限變速風力發電機（Limited variable speed generator）和變速風力發電機（Variablespeed generator）。

4風力發電控制技術

4.1定槳距失速風力發電技術

定槳距風力發電機組在20世紀80年代中期開始進入風力發電市場，重點解決了風力發電機組的并網問題、運行安全性以及可靠性問題。采取軟并網技術、空氣制動技術、偏行和自動解纜技術。槳葉節距角在安裝時固定，發電機的速度受到電網頻率的限制，輸出功率受到槳葉自身特點的限制。風速高于額定轉速時，槳葉可以通過失速調節自動保持額定輸出功率，一般依靠葉片獨有的翼型結構，在遭遇大風時，流過葉片背風面的氣流發生絮流，減小葉片氣動效率，影響能量捕獲，出現失速。由于失速是一個非常復雜的空氣動力學過程，對于不穩定的風，很難準確計算失速效應，因此很少在大型風力發電機的控制中使用。

4.2變槳距風力發電技術

從空氣動力學的角度來看，當風速過高時，能夠通過調節槳葉節距和改變氣流對葉片攻角，進而改變風力發電機組得到的空氣動力轉矩，從而使輸出功率保持穩定。采用變槳距調節方法，風機輸出功率曲線平滑。當風吹時，塔筒、葉片和地基的影響比失速調節風力發電機小得多，可以降低材料的利用率，降低整機的重量。它的缺點是需要一個復雜的變槳距機構，需要陣風的響應速度快到可以減少風的波動引起的功率脈動。

4.3變速風力發電技術

變速運行是風機葉輪的運行方式，其轉速隨風速的變化而變化，保持最佳的葉尖速度比和最大的風能利用系數。與恒速風力發電機組相比，風速隨風速變化的變速風力發電技術在運行中保持最優的葉尖速度，獲得最大的風能，當風輪轉速變化時，風速變化較大，提高了系統的靈活性和傳輸能力，使輸出功率更穩定，更有動力和功率轉矩脈動補償。

5風力發電系統的智能控制

5.1模糊控制

模糊控制是一種典型的智能控制方法，其最大的特點是專家的經驗和知識被表達為控制的語言規則。它不依賴于受控制對象的精確數學模型，能夠克服非線性因素的影響，對被調節對象的參數具有較強的魯棒性。風力發電系統是一個隨機非線性系統，因此模糊控制非常適合于風力發電機組的控制。模糊控制在發電機轉速跟蹤、最大風能采集、發電機最大功耗、風力發電系統魯棒性等方面取得了良好的控制效果。籠式異步發電機采用模糊控制機制，通過模糊控制和模糊控制參數設置，提高了跟蹤裝置的性能，提高了功率控制的效率;計算光負載流量，實現發電機逆變器效率優化;在功率偏差和變化時，可以在額定轉速下達到最大功率。變速恒頻無刷雙風力發電系統采用自適應模糊控制模型，實現了較好的魯棒性和抗干擾能力，通過模糊控制實現了最大的風能捕捉，提高了系統的穩定性。

5.2神經網絡控制

人工神經網絡具有任意逼近非線性模型的非線性映射能力，其自學習和自收斂可作為自適應控制器。在風力發電系統中，可以利用神經網絡預測風速的變化，根據以往的風速觀測數據。基于數據的機器學習是現代智能技術的一個重要方面。研究是基于觀測數據來發現規則，并利用這些規則來預測未來的數據或不可觀測的數據，從而有效地控制工業過程。這些學習方法包括模式識別、神經網絡、支持向量機等。在風力發電系統中，可以從操作單元獲得大量重要的數據，以研究機組的動態特性和性能。因此，將上述數據驅動的機器學習方法與控制風能轉換系統相結合是解決風機控制問題的重要途徑之一。

6風力發電控制技術發展趨勢

控制技術在風力發電中的應用有利于風電技術的廣泛應用和推廣，緩解能源壓力，降低資源消耗，提高效率，促進風力發電的大規模、現代化、智能化發展。特別是在大型風力發電控制中，可以有效地減少占用土地資源，提高系統的運行能力。變槳距還有變速恒頻技術通過不斷的改進創新，在實踐運用中能夠降低風力發電規模的局限性。特別是直接驅動技術的應用，可以有效地降低風力發電的成本，提高能源效率，創造更大的經濟效益，同時避免污染和對周圍生態環境的破壞。

結束語

在全球能源過度消耗的生態環境下，對新能源的研究和利用已成為世界熱門的話題，風力發電是新能源發電技術中最具規模開發和商業化發展前景的發電方式，我國近幾年風電產業發展勢頭強勁，風電新增裝機的容量穩居全球前茅，因此，對風力發電的技術現狀和發展趨勢進行研究具有重要意義。

參考文獻：

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（作者單位：國家電投集團廣西興安風電有限公司）