風力發電及其控制技術新進展探究

林鍵

（福建海電運維科技有限責任公司，福建 福州 350001）

隨著當今社會的進步與經濟的發展，人們日常生產生活中的用電需求也呈現出了不斷上升的趨勢。在科學技術的不斷發展中，風力發電技術得到了越來越廣泛的應用。在該技術的具體應用中，主要的設備包括發電機、變壓器、風輪等，而要想實現風力發電技術的良好控制，就需要對這些系統設備的應用做好控制，以此來達到理想的風力發電效果，滿足實際需求。

1 風力發電簡述

風力發電的主要原理就是通過風力來帶動風車葉片轉動，然后再借助于增速機提升其轉動速度，以此來為發電機運行提供足夠的動力，促使發電機發電。根據風車技術研究發現，在風速為每秒鐘三公尺的微風條件下，風力發電便可以實現。在當今，風力發電已經逐漸成為了一種主流的發電方式，因為這種發電方式既不會面臨燃料問題，也不會對環境造成污染，所以其應用前景十分光明。

2 風力發電控制技術

2.1 風輪控制技術

在風力發電系統的具體應用中，要想達到最高的風電轉化率，就需要降低風能的消耗。為達到這一目的，就需要對風輪進行合理控制，具體控制技術如下：

（1）合理控制風輪葉尖速比。風輪在運行過程中，其風葉尖端在風力作用下所轉動的線速度就是葉尖速，而葉尖速與這段時間內風速之間的比值就是葉尖速比。通過對葉尖速比的河流控制，便可讓風機系統得到進一步的優化，以此降低風能消耗。具體控制中，因為自然風速的大小以及風力都無法調節，所以要想達到理想的控制效果，就需要通過葉尖速的改變來實現葉尖速比的調節。在此過程中，可以根據實際的風力和風速情況，通過變槳系統調整風輪轉矩，這樣就可以使其最外側邊緣速度得到合理控制，以此來實現葉尖速比的進一步優化。

（2）合理控制功率信號反饋。對功率信號的反饋進行控制，可以有效控制風輪機功率。在運行過程中，風輪的功率會在條件改變時發生變化，這也是該控制方法得以應用的一個基礎條件。通過對功率關系的分析可以繪制出其最大功率曲線，并以此為基礎進行功率信號反饋的合理控制。具體控制過程中，應該對最大功率以及系統的實際輸出功率的差值分析，然后根據這個差值進行風輪槳矩調整，讓風輪始終保持最大的運行功率。通過這種控制方式，不僅可以有效降低風能消耗，同時也可以有效降低控制成本。但是在該控制方法的具體應用中，因為獲取最大功率曲線是一項難點內容，所以技術人員需將其作為重點進行研究。

（3）合理控制爬山搜索。通過對爬山搜索的合理控制，可以讓風機功率點得到合理控制，因其圖像和拋物線相類似，所以最大功率點在最高處。具體控制中，如果不能確定出目前工作點的具體位置，可以將風輪運行中的轉動速度適當提升，以此來實現系統直流功率輸出的改變，在系統中的直流功率輸出加大的情況下，最高點就會出現在這個拋物線圖像的左側，反之就會出現在這個拋物線圖像的右側。通過這樣的方式，就可以及時找出最大功率點的位置，并以此為基礎來進行風輪轉速的合理確定。但是這種方法也有一定的缺點，如果風輪具體轉動中的慣量比較大，就很難改變其轉速。

2.2 風力發電機控制技術

目前主要的風力發電機包括異步風力發電機、電勵磁同步風力發電機、永磁同步風力發電機等，從早期帶齒輪箱高速傳動部件的雙饋式風力發電機到不帶齒輪箱而是將風機主軸與低速多級同步發電機轉子直接相連的直驅式發電機，再到更加集成、結構緊湊的半直驅變速變槳風力發電機。在具體的風力發電機制造過程中，采用更加集成設計和緊湊型結構的風電傳動系統對發電機進行制造，以此來達到提升效率、降低成本的目的。同時，在對風力發電機的具體控制過程中，應通過全功率矢量法進行控制，解除其直軸電流和交軸電流之間的耦合，以此來實現系統功率因數的降低，讓風力發電機得到良好控制。

2.3 電子電力變換器控制技術

電子電力變換器在當今的風力發電系統中的適用面非常廣泛，尤其是在大型的風力發電系統中，電子電力變換器更是得到了廣泛應用。通過電子電力變換器進行風能的轉換過程中，其能量轉換率非常高，且完成轉換后，能量傳輸效率也非常高。通過電子電力轉換器的應用，可使風力發電系統中的無功功率得到有效補償，在提升系統運行效率的基礎上實現其功率范圍的進一步擴大。且該設備的購買和應用都不需要太高的成本，具有非常合理的經濟性。

具體應用中，應通過矢量控制的方式對有功功率和無功功率進行解耦處理，讓無功功率有效滿足系統的實際運行需求。另外，通過全功率SPWM矢量控制變流器的合理應用，也可以讓風力發電系統中的無功輸出量達到最大，通過合理設置直流環節，可實現風力發電系統中有功功率以及無功功率的有效調節。

2.4 諧波消除控制技術

在通過風力發電機進行發電的過程中，諧波會導致整體電能質量的降低，進而影響電壓和頻率等，讓有功功率和無功功率之間難以達到平衡。所以，要想有效保障風力發電系統的運行質量，就要將其中的諧波消除。在風力發電系統的具體運行過程中，諧波的影響主要包括以下幾個方面：（1）諧波會導致發電機通訊和鐵損的增加，進而引起超同步諧振現象。（2）諧波會導致系統設備的過熱故障，進而影響系統的正常運行。（3）諧波會讓保護系統和控制電路出現誤動作情況，對傳感器精準性造成不利影響。（4）諧波會對電子設備造成損壞，不僅影響風力發電系統的正常運行，也會為企業帶來經濟損失。

在風力發電系統的運行中，若要有效消除諧波干擾，可通過以下幾方面的措施來實現：（1）將電力變流器等電力設備應用到系統中，用這些設備的相位來抵消諧波。（2）對于諧波現象所導致的系統無功功率增加情況，可通過電容器組的合理調整來改變系統無功功率，讓諧波對其造成的影響得以有效降低。（3）可通過三角連接法來進行系統連接，以此降低系統中諧波的進入量。（4）在具體的諧波消除中，也可以按照實際情況來合理地加設濾波器。

2.5 無功功率補償技術

在風力發電系統的運行過程中，由于感性元件影響，經常會出現功率消耗情況，在電壓從感性元件中通過時，因為消耗的只是無功功率，所以感性元件的兩端并不會出現電壓變化，如果測量到其兩端電壓比較高，則說明感性元件中通過的電流很大，元件設備也極有可能被損壞。對于此類情況，在進行控制的過程中，可以適當進行系統的無功補償，以此來實現諧波作用的有效遏制。在無功補償過程中，最常用的方法是電容投切法，但是，應根據實際情況來確定投入的電容量，以此來避免電容量投入過大而產生電壓諧波。

3 風力發電控制技術的新進展

隨著當今社會經濟與科學技術的協同發展，在風力發電系統的應用過程中，信息化和自動化等技術得到了合理應用。其中，最關鍵的一項技術就是PLC自動化控制技術。將該技術應用到風力發電系統的控制過程中，通過各種傳感器來進行各個設備運行參數的采集，通過實際參數和系統數據庫中原始參數的對比來及時發現異常，并使其得到及時有效的處理。圖1為風力發電控制系統示意圖。

圖1 風力發電控制系統示意圖

PLC自動控制技術的應用不僅可以及時發現和調整風力發電系統的異常情況，避免運行故障發生，同時也可以讓風力發電系統的運行實現自動化、智能化的遠程監督控制，賦予整個風力發電機組思想和靈魂。這對于風力發電系統運行效果的提升及其信息化、智能化的發展都將有著非常深遠的意義。

4 結語

綜上所述，風力發電在當今已經開始成為了一種主流發電技術。而在風力發電技術的具體應用中，合理的控制技術是保障風力發電系統安全穩定運行的關鍵。所以在具體的運行中，技術人員應加強對其控制技術的研究，不斷提升風力發電系統的運行質量，解決風力發電系統的運行問題，保障電力的正常生產與供應，滿足當今社會需求，促進風電行業發展。