關于風力發電機及風力發電控制技術分析

郎澤萌

摘 要： 能源和環境是21世紀人類面臨的重大問題，面對有限的、不斷減少的自然資源，全球都在高度關注再生資源，并致力于研究相關技術。我國的地理特點決定了風能具有很大的開發潛力。文章分析了常用的風力發電控制技術，希望能夠為風力發電機的相關研究提供技術支持。

關鍵詞： 風力發電機;發電控制;技術

在經濟、科技、建筑、交通高速發展的新時期下，社會需要的能源也越來越多，但大自然中的能源是有限的，因此可再生資源就顯得尤其寶貴。風能是一種常見的、應用領域非常廣泛的再生能源，而且開發起來相對容易，成本低、污染小、應用前景十分樂觀。

1 風力發電控制技術的發展現狀

控制技術對于風力發電機的重要性主要體現在以下幾方面：（1）風力發電機所獲得的風能是隨機的、無法控制的。風速、風向、風力的大小會隨著客觀自然條件的變化而改變，本身并不具有控制性，要想得到控制，就需要通過技術手段來實現。（2）風力發電機的風輪慣性很大，風輪葉片直徑在特定的范圍內可以有效利用風能。（3）風力發電所需要的并網、脫網都會用到控制技術?，F階段，很多技術都可以應用到風力發電領域，風力發電的控制技術也越來越先進，控制方向越來越多元化。定槳距型風力機只通過連接槳葉、輪轂并不能發生改變，在風速高于額定風速的情況下，通過失速原理可以限制發電機的功率。所謂失速原理，指的是氣流達到一定程度的攻角后就會產生渦流。當外界因素讓輸出功率發生改變時，槳葉的被動失速調節就不會由任何控制，風力發電機組系統就會更加簡化。然而，風輪的葉片重量很大，一些部件受力大，所以發電機組的工作效率較低，一些重要部件也很容易損壞。

2 風力發電控制技術淺析

（1）電力電子變換器控制技術。該技術的應用范圍較廣，在大型的風力發電系統中能夠得到很好的應用。風能有著較高的能量轉換率，轉換后的傳輸效率同樣很高，還能夠進一步完善無功功率，安全性高。電力電子變換器的功率范圍較大，運行功率較高，但成本并不高。在風電系統中加入PWM整流器，就可以有效控制最大功率，通過矢量控制的方式能夠彌補整流器無功功率、有功功率的缺陷，讓無功功率也能夠符合整流器運行要求。PWM整流器可以實現有功功率最大化的輸出量，只要按要求設置直流環節，調節風電系統的無功功率、有功功率便可。（2）風輪控制技術。①通過功率信號反饋進行控制。風輪在運行狀態下，功率和實際風力條件的變化一致，分析功率關系，繪制最大功率的曲線圖，就可以通過功率信號來控制風輪運行。實際操作過程中，還要比較最大功率和系統的客觀輸出功率，獲得二者的差值，然后再調整風輪的槳距，最大限度的提高風輪的運行效率。這種控制技術的成本較低，但缺點是很難在風機運行的狀態下獲得最大功率的曲線。②葉尖速比的管控。在風力的影響下，風輪中的風葉尖端在轉動時會產生線速度，即葉尖速。葉尖速比用來表示葉尖速以及時間范圍內的風速比值?？刂迫~尖速比值就能很好的控制葉尖速比，繼而控制風機運行。由于風速不一致，因此很難明確最理想的葉尖速比，所以要適度改變葉尖速，調節好風輪的轉矩，以更好的調整風輪外邊緣速度，以優化葉尖速比。（3）H∞魯棒控制技術。H∞魯棒控制技術是以Hardy空間作為理論依據的，通過個別性能指標來優化無窮范數，從而得到具有魯棒功能的控制器。H∞魯棒控制可以有效從護理多變量，基于嚴謹、精確的數學基礎來解決建模初期產生的誤差。在風能激勵的情況下，H∞的相應范數最小，控制系統的輸出非常穩定，對風力發電機組而言，H∞魯棒控制技術十分重要，如果風向和風速并不穩定，而且頻繁改變，就可通過H∞魯棒控制原理來控制變速恒頻的風力發電系統，實現系統對風能的快速跟蹤，以最大限度的提高風能利用效率和捕獲風能的效率。（4）模糊控制技術。這是一種最具有代表性的智能控制技術，其技術理論為模糊推理及語言規則，屬于高級控制技術，該技術不會受到非線性因素的影響，具有很強的魯棒性。通過模糊控制風力發電機組，能夠顯著提高風能的利用率，還能實現最大功率的追蹤，而且還具有變速恒頻優勢。正是因為模糊控制技術的優點十分突出，所以在該技術不斷發展的過程中，融入了人工智能、仿人智能、神經元網絡等各種技術，對于風力發電機組控制技術的智能化發展具有重要意義。在變槳距并網型風力發電機組中運用該技術，可以全面改善控制系統的動態性，有效控制踢葉尖速比、風力機的轉速和風輪槳距角，保證風力發電機組能夠輸出恒定頻率、恒功率。與PID控制器相比，模糊控制技術能夠更好的減輕個抖振問題，提高發電機組的運行效率和質量。

3 風力發電控制技術的發展前景

再生能源的開發、利用是全球范圍內都在關注的問題，社會經濟越發達，對能源的需求量就越大，因此風力發電技術受到普遍關注。（1）海上風電場技術。與內陸地區相比，海上的風力資源更加豐富，而且主導的風向更具有穩定性，周圍環境對風電技術產生的影響比較小，十分有利于海上風電場的發展。然而，有些技術上的難題仍然是不可避免的，比如風電系統保護技術、海上風電場協調控制技術、海上風電場運輸技術，如果上述技術問題能夠一一得到解決，風力發電技術的穩定性就能大幅度提高。（2）最大風能的捕獲技術。發電轉速能否達到最好的控制效果是研究風力發電系統的關鍵，為了保證風電系統的穩定與可靠，需要不斷的調控并網開關閉合。捕獲最大風能需要不斷的調節發電機的扭轉功率和槳距，只有這樣才能讓那個風力發電技術迅速發展。（3）大容量的風電系統。為了滿足社會日益增加的能源需求量，兆瓦級的大容量機組成為主要的發展趨勢，可以最大限度的提高發電設備的利用效率，避免資源浪費，盡可能地給風電產業帶來經濟效益。然而，大容量機組在技術上實現起來非常困難，增加容量意味著要進一步改進風力發電設備、控制技術和各種材料，提高了工作難度。目前來講，直驅式的永磁風力發電機以及多極永磁發電機是主要的參考對象，更是設計大容量機組的技術指導依據。

4 結語

21世紀，風力發電產業還是具有非常樂觀的發展前景的，盡管仍然存在許多問題需要解決。風力發電企業除了不斷研發風力發電控制技術之外，還要引進先進的機械設備，在零部件的研發方面，我國與發達國家還有很大差距，所以，應該從技術、設備兩方面著手，不斷汲取先進的經驗，在此基礎上實現自我創新，以推動風力發電技術的長足進步。

參考文獻：

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