風力發電電氣控制技術應用研究

周偉強

（國家能源集團龍源江永風力發電有限公司，湖南永州 425400）

1 風力發電電氣控制技術概述

風力發電相較于其他發電方式而言有著較大的不穩定性，極易受到外部各種因素的干擾，如風速、風向、氣壓、溫度等。因此，在對電氣控制技術加以運用時，必須將此方面作為突破口，有效減輕外部因素對風力發電的影響。此外，為了提升風力發電的效率，要對各種可能用到的發電設備的風能利用率展開準確的分析，以此尋求提升風能轉化率的策略[1]。比如，我國通過研究風力發電葉片荷載、穩定程度、風力利用效率，把風力發電機葉片長度設置為6m ～10m，在此種狀態下的轉化效率相對更高。另外，風力發電裝置所處環境普遍比較惡劣，在進行后期保養維修時若是僅憑人力完成有關工作具有較大的安全風險，所以，要求引入遠程遙感控制技術，從而全方位提升風力發電中的電氣控制效果。

2 風力發電現狀

2.1 電網質量無法獲得保障

風力發電最為突出的問題便是不夠穩定，而這同時也是導致電網質量得不到有效保障的關鍵因素。因為風力發電基于風力實現發電，而風能本身就存在較強的變動性，無論是風速還是風向都時刻處于變化的狀態。因此，若無法做到對風能的準確把控，在風速和風向發生變化后便會使得復合裝置以及電能均會隨之發生變化，如果驟然發生突變而超過了電網可承受限值時，則可能引起電網受損。

2.2 風能發電系統組成繁瑣

因為科技實力的局限性，當前我國風能發電系統的構成較為繁瑣，其中主要包括了兩種系統模型，即線性與非線性模型，均已經在風力發電行業得到了廣泛的應用，不過由于兩者在功能效果以及使用條件上有所差別，因此要求采取傳統的技術方式，也就導致無法充分滿足兩種模式下風力發電系統的運作需求。由此可知，對電氣控制技術的有效利用十分重要。

2.3 風能發電廠機組運維問題

發電機組方面存在的問題主要包括了變電器、風電機、輸送設備等在發電過程中引起的穩定運轉問題[2]。目前，風電設備的運行欠缺完善、可準確預測機組的管理體系。運維上則表現出下述問題：（1）風力發電的電氣設備維護通常采取的是定時檢修、故障維修，而且普遍是在電氣設備出現故障之后才展開系統性的維修，屬于維護的初期環節；（2）現行的風電檢測大多只關注電氣設備，也就是控制室實測電機、變壓器的傳輸功率等方面，并未詳細檢查電氣設備的使用壽命和帶有隱患因素的零配件，導致電氣設備運作時不能準確、實時地掌控其運行狀態，導致在維護環節才能發現問題；（3）很多風電廠采取的管理方法比較粗放，采用的是水電、火電控制模式，管理工作的開展不夠系統、規范，而且較為死板、陳舊。維護人員專業能力較低、欠缺工作熱情、責任意識較弱，因此使得風電設備頻繁出現故障，而且需要經歷長時間的維修方可恢復正常使用，嚴重影響了風電設備的運行效率。

3 電氣控制技術在風力發電中的應用

3.1 變槳距發電技術

在進行風力發電時，若是發電主機具有功率太低的問題，便會導致發電效率下降、質量不高，從而不利于風能的高效使用，由此影響到風能發電效果。因此，要對風力發電機組運作期間的有關風速功率實行嚴格把控。應用變槳距發電技術，解決發電主機太低的問題，通過槳距角度的調整使有關機組設備在遇到比較高的風速時也可以做到對發電的精準、有效控制，從而更好地利用風能。此外，因為科技的不斷發展、創新，國內在生產制造風力發電機的扇葉時，所使用的材料質量也發生了較大的改進，自重大幅減小，因此，也就使得有關裝置的總重量隨之減小，減小了沖擊荷載作用力。把變槳距技術運用到此方面可以降低設備運作出現故障的概率，由此提高風能發電的控制效果。盡管此技術的引入能大幅提高風能利用效率，不過在穩定性層面依舊存在較大的改善空間，而且需要投入大量的資源，會耗費大量的人力、物力，所以必須要對其進行持續改進。

3.2 漿距失速發電技術

此項技術的運用，不僅具有傳統發電技術的各項優勢，而且還融合了更加先進的發電理念，對該技術的高效運用，能夠提高風力發電系統運作的穩定性，讓系統可以長時期處于安全、高效的運作狀態。風力發電對并網之中的發電裝置運作穩定性具有比較嚴格的要求，通過引入定槳距失速發電技術，能將葉片復雜構造的優勢充分發揮出來，有利于工作人員對發電裝置的準確調控，不過也可能會出現消耗無用功的情況，這是因為葉片自重太大，給發電裝置的運作效率帶來了一定的負面影響。

在具體運用定槳距失速發電技術時，外界環境因素也有可能會對其產生影響，因此其使用起來具有局限性，只能運用在風力等級不存在太過嚴格限制的環境下。如果風力等級過高，就不再使用此技術。如果想擴大此技術的運用范圍，則要求技術研究人員對其展開更進一步的探究。

3.3 變速風力發電技術

從表面上看，該技術也就是變更原來的發電機恒速運動，在風速出現變化的情況下，風力發電機組的運行狀態也會隨時變動，如此便可以按照風速高低及時調整發電系統中各種設備的運作狀態，由此得到穩定的發電頻率，提高發電的整體質量。而在碰到高強度的風力時，發電效率以及質量均會由于功率上的問題而受到一定影響，要想最大程度上減輕該問題帶來的影響，要求對風輪轉速相關指標實行調控。若是處于低風速條件下，就要求盡量多地采集風能，以此確保輸出功率更加穩定。而需格外注意的是，在不同地區中，風速的大小與變動規律都或多或少具有區別，強化對電氣控制技術的應用，能在提高發電效率和質量上起到較大的促進作用[3]。在運用變速風力發電技術時，牽涉到的電氣控制技術包括：（1）交流勵磁雙饋型；（2）永磁發電機類型；（3）籠型異步發電機類型；（4）磁場調制型及無刷雙饋發電機。上述控制技術最為關鍵的便是要求提升風能的轉化率，還要做到獨立調整輸出功率、無功功率，在變槳距的調整方面也更為方便、靈活，能夠使發電設備的運作功率得到顯著提高。

3.4 主動失速發電技術

此項技術又可稱為混合失速發電控制技術，是定槳距、變槳距兩種發電控制技術聯合形成的，如此便能有效解決定槳距發電控制技術運用成本較大的問題，還能改善變槳距技術中發電頻率方面的缺陷。所以，該技術具備十分明顯的優勢，綜合了定槳距、變槳距控制技術的優點，而且還有效補足了這兩項技術的缺陷。主動失速發電技術的具體運用原理：對不同槳距角加以合理調節，以此實現對風能的高效捕捉以及對風速變動的快速適應。

3.5 低電壓穿越技術

如果在實際發電過程中，風電場并網點三相電壓位于電壓輪廓線之中，則此時風電機組可做到持續性的并網運作；如果并網之中存在一相電壓位于電壓輪廓線以下，則風電場內的發電設備可以由電網切出。如果具體的并網電壓值降低了大約1/5 的額定電壓，則此階段的發電設備必須具有并網運作625ms 的低電壓穿越能力；若具體風電場并網點電壓可以在發生跌落狀況后2s 以內獲得恢復，就能處于額定電壓的9/10，則在此期間的風電機組必須可以完全滿足持續并網運作的有關要求；若電網發生了一定的故障，而且未能把發電設備移除，則故障處理后，該功率數值必須與未出現故障前持平。

將低電壓穿越技術運用到風力發電系統中，主要起到的作用包括：（1）將變流器調整為低電壓穿越狀態，所接通的控制器裝置要求把設備計算、計時過程中所測得的電壓實際狀況加以掌握，低電壓在穿越過程中可以對電網具有的故障做充分處理，利用變槳實現對轉速閉環的合理調整，此時的目標轉速也就是同步轉速；（2）若在具體發電期間低電壓發生穿越失敗的狀況，則此時所使用的變流器裝置信號要加以準確判斷，而且也要利用主控系統采取計時的方法實行判斷，不過具體發電中主控系統會對測量電壓結果的準確程度帶來重大影響。針對主控判斷失誤觸發時間等層面的問題，要基于標準判定時長，如果穿越失敗，則必定會引發一系列故障，從而使得發電裝置停止運作[4]。待到低電壓完成穿越以后，功率也會恢復正常，一般可以恢復至跌落前的1/10。而在功率恢復期間，要求把計算轉速作為關鍵依據對其實行有效的調整。另外，還要求放開屏蔽電網，這樣做的目的在于恢復電壓，待電壓恢復以后，就可以對其順利調控。

3.6 無功功率補償及諧波消除技術

由于在風力發電期間會受到風速、風向等多方面因素的干擾，產生無功消耗，因此，要求實行無功功率補償。受到一部分元件的干擾，發電系統中產生一定的無功功率消耗，而當電壓通過這些元件時，因為只有無功功率消耗，從而導致該部分元件兩側電壓未產生變化。但是，若存在高強度的電壓，則在經過這些元件時會對其造成破壞。針對此種狀況，應當根據實際情況，利用無功功率補償技術，做到對諧波作用的有效抑制。此外，在風力發電期間，由于諧波的存在而導致總體電能質量下降，并且還會讓電壓、頻率等也受到較大影響，使得無功功率與有功功率間的平衡狀態被打破，要求對諧波采取一系列控制措施。一旦具有諧波便會對風力發電效果帶來負面影響，會引起發電裝置的鐵元件、銅配件受損，還會導致發電機內部出現超同步諧振的問題。此外，相關電力裝置運作時會出現熱故障，導致發電系統無法安全地運作，整體發電的穩定性受到破壞[5]。為了消除控制，可采取以下措施：（1）利用電力變流器與配套的電力裝置，使得相位和諧波彼此抵消；（2）對電容器組展開適當的調節，以此變更無功功率，降低諧波給無功功率帶來的影響；（3）采取三角形連接形式，降低諧波的通入量。

4 結語

據有關調查顯示，全球能源需求量呈現為逐年上漲的趨勢，而過去廣泛應用的傳統化石能源屬于不可再生能源，終會面臨枯竭的一天。所以，為了更好地保障社會發展，使人民生活的能源使用需求得到滿足，就要注重對新型清潔能源的開發與利用，而風能就是目前應用較多的一種清潔能源。在風力發電方面，為提升風能轉化率，讓整個發電過程更加安全、穩定，就要求加強對電氣控制技術的應用，要詳細分析實踐過程中出現的問題，加強技術優化和創新改進，由此將此技術的功能、作用充分地發揮出來，為風力發電行業的進一步發展提供技術支持。