風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)研究

何學(xué)軍

摘要：風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中，是具有代表性的一種環(huán)保型的發(fā)電方式，對(duì)于推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性增長(zhǎng)具有不可比擬的積極作用。本文以風(fēng)力發(fā)電為切入點(diǎn)分析其現(xiàn)存問(wèn)題，就提出具體的控制技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行深入探究，旨在為相關(guān)從業(yè)人員積累更多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;控制技術(shù);發(fā)展前景

我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)水平在不斷提高，但是仍舊有許多問(wèn)題亟待解決，所以要正視目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)存在的問(wèn)題，積極爭(zhēng)取社會(huì)各方的支持，在原有的基礎(chǔ)上不斷突破創(chuàng)新，投入一定的資金，不斷完善相關(guān)政策，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的良性發(fā)展，讓風(fēng)力發(fā)電技術(shù)真正成為我國(guó)電力供應(yīng)的主流技術(shù)。

1加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電控制的重要性

由于自然風(fēng)速度快慢及方向大小存在著明顯差異性，客觀上要求相關(guān)技術(shù)人員重視風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)，例如：控制機(jī)組切入及切出電網(wǎng)、限制輸出功率、檢測(cè)風(fēng)輪運(yùn)行期間中各種故障予以保護(hù)等。近幾年來(lái)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)日趨成熟，即由定槳距恒速運(yùn)行技術(shù)向變槳距變速運(yùn)行技術(shù)轉(zhuǎn)變，基本達(dá)到預(yù)期的生產(chǎn)目標(biāo)。從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組角度來(lái)看，以調(diào)節(jié)機(jī)組功率為核心技術(shù)之一，其調(diào)節(jié)方法可劃分為變槳距調(diào)節(jié)、定槳距失速調(diào)節(jié)及主動(dòng)失速度調(diào)節(jié)。目前我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本實(shí)現(xiàn)變槳距變速運(yùn)行，結(jié)合風(fēng)速風(fēng)向的變化情況基本實(shí)現(xiàn)脫網(wǎng)、并網(wǎng)及調(diào)向控制各個(gè)發(fā)電機(jī)組，充分發(fā)揮變距系統(tǒng)作用，控制機(jī)組轉(zhuǎn)速及功率。

2當(dāng)前我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)存在的問(wèn)題

2.1風(fēng)力資源分布不均

我國(guó)的國(guó)土面積十分廣闊，每個(gè)地區(qū)的自然環(huán)境也有著很大差異，所以不同地區(qū)的風(fēng)力資源分布十分不均勻，這就給風(fēng)力發(fā)電工作帶來(lái)了一定的困難。目前我國(guó)風(fēng)力發(fā)電影視工作呈現(xiàn)出了，東南沿海和西北內(nèi)陸發(fā)達(dá)，中部落后的趨勢(shì)，風(fēng)力發(fā)電事業(yè)發(fā)展十分不均衡。

2.2產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在我國(guó)不斷更新發(fā)展，單機(jī)容量不斷擴(kuò)充，目前已經(jīng)取得矚目的進(jìn)步，但是當(dāng)前整個(gè)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)仍然缺乏完善性，在零部件生產(chǎn)和產(chǎn)品創(chuàng)新方面，大多數(shù)發(fā)電技術(shù)都已經(jīng)取得良好成果，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益，但在核心零件生產(chǎn)過(guò)程中，仍沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自主式創(chuàng)新和開(kāi)發(fā)，電力企業(yè)在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電技術(shù)改造時(shí)，大部分設(shè)備都來(lái)源于國(guó)外，國(guó)內(nèi)缺乏獨(dú)立資助的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，這也進(jìn)一步導(dǎo)致風(fēng)力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展失衡，所以，還需要進(jìn)一步加速產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變革，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，形成完整的、具有發(fā)展?jié)摿Φ娘L(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

2.3安全性有待提高

目前我國(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)在發(fā)展的過(guò)程中，安全性方面還存在著一定的隱患，很多的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在使用的過(guò)程中，由于技術(shù)不過(guò)關(guān)或管理不到位，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)問(wèn)題時(shí)常發(fā)生，影響整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)研究

3.1風(fēng)輪控制技術(shù)

為了提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率，最大限度降低風(fēng)能獲取期間中各種能量消耗。從風(fēng)輪角度來(lái)看，其控制方面技術(shù)包含爬山搜索控制、功率信號(hào)反饋控制及葉尖速比控制。其中，爬山搜索控制適用于控制風(fēng)機(jī)功率點(diǎn)，其圖像與拋物線較為相似，以最大功率點(diǎn)為最高處，一旦確定當(dāng)前工作點(diǎn)位置后則適當(dāng)增加風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，改變系統(tǒng)輸出直流功率，而系統(tǒng)輸出直流功率上升后最高點(diǎn)位于拋物線左側(cè)，便于技術(shù)人員盡快找出最大功率點(diǎn)，確定風(fēng)輪最終轉(zhuǎn)速。功率信號(hào)反饋控制適用于控制風(fēng)輪功率信號(hào)，特別是風(fēng)輪運(yùn)行期間其功率隨著條件變化而改變，是功率信號(hào)反饋控制方法的核心原理。

同時(shí)，功率信號(hào)反饋控制主要通過(guò)分析功率關(guān)系繪制最大功率曲線等方法進(jìn)行后續(xù)操作，特別是具體實(shí)踐期間對(duì)比分析系統(tǒng)具體輸出功率及最大功率計(jì)算出二者最大差值，便于調(diào)整風(fēng)輪槳距，大大提高風(fēng)輪運(yùn)行效率，進(jìn)一步有效控制總體成本投入。通常情況下，風(fēng)力作用下風(fēng)輪風(fēng)葉尖端轉(zhuǎn)動(dòng)速度被稱為葉尖速，而葉尖速比指葉尖速與此時(shí)間段風(fēng)速的比值。與其他控制方法相比，葉尖速比控制方法主要通過(guò)控制葉尖速比值優(yōu)化風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，綜合考慮風(fēng)速差異性計(jì)算出最為適宜的葉尖速比。此外，受短時(shí)間內(nèi)無(wú)法調(diào)節(jié)控制自然風(fēng)速度及風(fēng)力大小的影響，客觀上要求相關(guān)技術(shù)人員調(diào)整風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩控制風(fēng)輪最外邊緣的速度。

3.2風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)存技術(shù)

在風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程中，由于受到天氣情況的影響，所以其發(fā)電具有很大的不穩(wěn)定性，而為了解決該問(wèn)題就需要使用到風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)存技術(shù)該技術(shù)能夠有效，減少風(fēng)能轉(zhuǎn)化電能過(guò)程中所造成的能量損失，對(duì)產(chǎn)生出的電能進(jìn)行有效存儲(chǔ)，防止電能浪費(fèi)。風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)存技術(shù)主要是通過(guò)水蓄能、電池儲(chǔ)能、飛輪蓄能和壓縮空氣蓄能幾種方式開(kāi)展，每種形容方式針對(duì)不同的區(qū)域，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)也各不相同，所以要求施工方根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況合理選擇。

3.3變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)的控制方式就是風(fēng)力機(jī)采取變速運(yùn)行的模式，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化而變化，但可以通過(guò)電力電子變換裝置得到恒頻電能。根據(jù)貝茲理論，理想情況下風(fēng)能所能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能的極限比值為16/27約為59%。恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的所采用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)只能固定在某一轉(zhuǎn)速上，但是風(fēng)能具有一定的隨機(jī)性，其能效會(huì)受周圍環(huán)境的影響而變化，所以風(fēng)力機(jī)必定會(huì)偏離最佳速度，這就必然會(huì)在一定程度上降低發(fā)電效率，而變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)就能夠在風(fēng)速變化的條件下，來(lái)適當(dāng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而讓其一直保持著在理想的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，確保發(fā)電效率。變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)是目前主流的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而語(yǔ)言，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)該盡可能的確保能量轉(zhuǎn)換效率，而變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)主要通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率的能源轉(zhuǎn)換。

3.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制會(huì)直接影響到風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程，一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制主要包括了偏航控制、變槳控制和變流控制，其主要目的是對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率等進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，從而保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的平穩(wěn)安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能利用率的最大化，以此來(lái)提高風(fēng)力發(fā)電的效率。

3.5雙饋發(fā)電變速恒頻系統(tǒng)

雙饋發(fā)電變速恒頻系統(tǒng)是使用雙饋繞線式發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，所謂雙饋，指的是雙端口饋電，定子和轉(zhuǎn)子可同時(shí)發(fā)電，互相切割磁感線。通常來(lái)說(shuō)，雙饋電機(jī)必須配合變頻器使用，變頻器給雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子施加轉(zhuǎn)差頻率電流，起到勵(lì)磁的作用，有效調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的相位、頻率、幅值，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的定子恒頻輸出。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，無(wú)論風(fēng)力作出什么樣的變化，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速改變的時(shí)候，利用變頻器就可調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度，從而讓電機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速之中保持同步（轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流改變轉(zhuǎn)子磁勢(shì)）。該系統(tǒng)主要是依靠轉(zhuǎn)子側(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)轉(zhuǎn)子電路的功率由交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行來(lái)決定，所以該系統(tǒng)的成本較低，設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)便，且后期的維護(hù)也十分便捷。

3.6風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)

我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在使用的過(guò)程中，風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生的電能需要利用并網(wǎng)技術(shù)列入到整個(gè)電力系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電效用的最大化，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的有效利用。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)主要是將風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與其他的直流發(fā)電系統(tǒng)，以互補(bǔ)運(yùn)行的方式協(xié)調(diào)運(yùn)行，從而有效解決并網(wǎng)控制和功率調(diào)節(jié)問(wèn)題，將風(fēng)能系統(tǒng)和其他能源系統(tǒng)結(jié)合在一起，提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入到了快速發(fā)展時(shí)期，為最大限度的提高風(fēng)力發(fā)電效能，就要對(duì)其控制技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用。文章圍繞控制技術(shù)展開(kāi)討論，介紹了幾種典型的控制技術(shù)。相信在科技的發(fā)展下，更多的技術(shù)會(huì)被運(yùn)用到發(fā)電系統(tǒng)中。

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