風力發電技術的功率控制方法研究

摘 要：傳統的基于風速的功率控制方法通常會忽略風向的變化對風力發電系統的影響。為此，本文提出了一種基于風向標和輸出功率的偏航控制策略。該策略在風力發電機組上安裝風向標，以監測風向的變化，并根據風向信息調整發電機組的偏航角度，使風輪始終對準風向，從而最大限度地提高風能利用率。同時，結合輸出功率的實時監測，該策略還能根據實際需要調整發電機組的運行狀態，實現功率的精確控制。以期通過不斷優化風力發電系統結構、完善功率控制策略并加強政策支持和社會參與等多方面的努力，將風電技術發展為全球能源領域的一股強大力量，為構建綠色、低碳的未來社會做出積極貢獻。

關鍵詞：風力發電；功率控制；偏航控制

中圖分類號：TM 614" " " 文獻標志碼：A

1 風力發電系統結構

1.1 定速風力發電系統

在1980—1990年，丹麥的生產商們已經大量采用了定速風電設備[1]。某種雙饋感應風力發電機如圖1所示。該發電機是基于風輪和發電機交換控制的一個齒輪箱邊距結構，齒輪箱的邊緣結構和電網的結合可以實現電網、交換機和整體發電機的并網過程。

該發電機的定子連接電網，線圈轉子經滑環連接到變換器上。

雙饋感應發電機運行在受變換器結構影響的受限變速區間內，其變換能力約為其額定功率的20%～30%，性價比較高且轉速可調范圍比傳統的Optisli大。然而，風電機組需要在電網發生事故時進行低壓跨越，而雙饋感應風電機組可能會出現較大的功率波動，為了保障系統安全，高級防護體系的采用是有必要的。交流-交流換流器具有較高的變流能力和四象限工作能力，能夠進行快速、雙向輸出。但是其采用的是相位控制的方法，特別是處于低頻率時，發電機的諧波含量較高，功率因數較低[2]。

1.2 風力機變槳距控制

按照風輪葉片與輪毅間的連接方式，可將風電機組劃分為2種類型，即固定槳距風機和可變槳距風機[3]。風電機組的關鍵環節是偏航控制，其主要作用是配合風機調控，保證風機的風輪一直處于迎風狀態，進而提升風機的發電效能，保障風機的安全性[4]。在自然環境中，風力的流向經常改變，為了增加風力的捕捉能力，需要持續旋轉風機以保證風力的前向。但是受限于測速儀的準確度和風機處于下風向等問題，風機風速并未完全控制，這不但會降低風機的最高捕獲效率，還會造成風機在工作過程中受力不均勻，引起風機結構振動與疲勞[5]。

2 基于風速的功率控制方法

2.1 基本原理

基于風速的輸出功率控制方法，當風速處于切入風速與額定風速的范圍內時，采用精確的調速技術，進行機組最優功率特性的精確跟蹤，保證機組功率能夠達到最大化水平[6]。在風速介于額定風速與切出風速間的條件下，利用可變槳距的方式，調整葉片的傾斜角度，保證額定功率恒定。本文提出一種基于風電機組動態特性的風電機組優化設計方案，以滿足風電機組對風電資源的高效利用，使風電機組穩定、可靠工作。

2.2 控制流程

某并網過程中的整體功能流程和變槳控制算法如圖2所示。由圖2可看出并網初始化和風速大小對風力機運行的影響。整個并網過程是一個高度自動化、智能化的系統，旨在保證風力機在各種風速條件下都能穩定運行。

在該算法中，涉及參數包括風速V、功率P、功率給定值P*、尖速比λ、最優尖速比λopt、風輪角速度ω、風輪角速度給定值ω*、齒輪箱傳動比n、風輪半徑R、槳距角β以及風能系數Cp。

變槳調控的實現過程包括以下5個步驟。1） 風電機組接入電網后，進行參數初始化操作。在此階段，特別設定槳距角β的初始值為0，并對當前風速V進行判定。2） 如果判定風速低于切入風速，風力發電機就會處于非工作狀態，不進行發電操作。3） 當風速處于切入風速與額定風速的范圍內時，需要實施變速調控措施。速度傳感器測得實際風速數據，DSP控制器再根據這些數據發出相應的驅動信號。齒輪箱對其進行精確調整，以精確調控發電機速度。整個系統通過閉環自動控制的方式，將實際速度與設定的目標速度進行比較，從而保證發電機能夠緊密跟蹤并適應最優的功率曲線變化，獲得最佳風能系數CP-max=Cp（λopt，0），進而獲取最大的功率Pt=ρπR2Cp（λopt，0）λ3。4） 當風速介于額定風速與切出風速的范圍內時，調速器將執行停機操作，同時可調槳距控制器將啟動工作。該控制器會比較功率傳感器測量的實際功率信號P與預設的功率設定值P*，基于比較結果，DSP控制器將輸出相應的激勵信號，進而驅動液壓變槳距機制對葉片的傾斜角度進行精確調整，得到Cp（λ，β）。這一閉環控制過程能保證風力發電機組能夠維持恒定的額定功率輸出。5） 當風速超過預定的切出風速閾值時，為保障設備安全、穩定運行，風機液壓制動裝置將自動啟動，觸發風機停機程序，從而使風機從電網中安全脫離。

3 基于風向標和輸出功率的偏航控制策略

3.1 基本原理

當風向變化＞15°時，采用風向標引導的風機操作策略。如果風向變動的絕對差值在15°以內，系統會選擇功率調控手段。原因是風速和風向的微變會直接影響發電機的輸出功率，而功率傳感器只能檢測到這一功率變化，只有在風向發生轉變時，風速的變化才會被視為干擾因素[7]。基于此，功率控制策略被劃分為3種獨立模式，即逆時針旋轉、順時針旋轉以及原地靜止。該策略有助于縮短風機對準風向的時間，提升對風的精確性，進而優化風能利用率，延長風機的使用壽命。

3.2 控制策略

偏轉控制流程如圖3所示。偏航控制過程如下所示。1） 風電機組接入電網后，對風電機組的偏航控制進行初始化，然后對風向進行判定。2） 在風速Vd改變的絕對值超過15°時，將操作直接切換至A段，以對風向標進行精準控制。在此過程中，利用DSP系統對偏航電機進行精確操控，進而偏航電機驅動與其同軸耦合的減速器。減速器通過大減速齒輪有效地驅動機艙和塔架的回轉支承，進而帶動機艙旋轉，以實現精準對風。當風向Vd的變化絕對值≤15°時，即視為對風操作完成。將偏航電機沿原來的方向轉動5°，再偏航3°，從而實現功率控制。由?P1來判定是否需要繼續偏航。如果?P1的變化量比指定的功率差?P*大，就沿原來的方向繼續偏轉；如果相反，就回到原來位置，偏轉控制終止。3） 在風向Vd的絕對值≤15°的情況下，根據功率的變化量來判定?P1，如果?P1≤?P*，就回到原來的狀態，不執行偏航控制。相反，偏航電機逆時針轉動5°后，如果風向Vd的偏差≤15°，就轉入B段，判定功率的改變。4） 如果?P1-?P2≤0成立，表示偏航的方向是對的，仍然使用功率控制方法，沿原來的偏擺方向執行偏航控制，由?P1來判定是否需要繼續偏航。如果?P1比?P*大，就沿原來的方向繼續執行偏航；如果相反，就回到原來的位置，偏擺控制完成。如果?P1-?P2＞0，就進入C段，偏航電機將按逆時針方向轉動5°，然后根據?P1來判定是否需要繼續偏航。5） 當?P1-?P2＞0時，表明功率改變的原因是風力的改變，偏航電機停止轉動，由C段經過D段回到原來的位置，因此不需要對偏航進行調節。反之，要對其進行功率調節，由?P1來判定是否需要繼續偏航。如果?P1的變化量比?P*大，就沿原來的方向繼續偏航控制，否則就回到原來的位置，完成偏航控制。

基于風電機組偏航控制的基本邏輯，本文通過圖3來更直觀地展示這一過程。圖3從風電機組接入電網后的初始化開始，先進行偏航控制的初始化，再不斷監測風向的變化。當風速Vd的改變超過15°時，系統迅速切換到A段，利用DSP對偏航電機進行控制，驅動機艙對風。該過程需要監測Vd的變化以不斷進行調整，當Vd的變化≤15°時，偏航電機根據預設的規則進行微調，以實現功率控制。在該過程中，系統不斷通過?P1來判定是否需要繼續偏航。如果?P1的變化量超過指定的功率差?P*，就繼續偏航，否則返回原位，偏航控制結束。

當風向Vd的絕對值≤15°時，系統進入另一個判斷流程。系統會根據?P1與?P*的關系來決定是否執行偏航控制。如果?P1≤?P*，就不執行偏航控制，保持原位。如果偏航電機逆時針轉動5°后，風向Vd的偏差仍然≤15°，系統就進入B段，繼續監測功率的變化。在B段，系統通過比較?P1和?P2的大小來判斷偏航的方向是否正確。如果?P1-?P2≤0，表示偏航方向正確，系統繼續沿當前方向執行偏航控制，并根據?P1的變化來決定是否繼續偏航或返回原位。如果?P1-?P2＞0，系統就進入C段，偏航電機將逆時針轉動5°，然后根據?P1來決定下一步的操作。在C段，如果?P1-?P2＞0，表明功率的改變的原因是風力的改變，此時偏航電機停止轉動，系統通過D段返回原位，不進行偏航調節。如果?P1-?P2≤0，系統就進入功率調節階段，根據?P1的變化來決定是否繼續偏航或返回原位。當所有的判斷和調整都完成后，偏航控制流程結束，風電機組繼續穩定運行。

4 結語

隨著風電領域迅速發展并逐漸走向成熟，其生產成本逐步降低，風機單位功率不斷增大，同時風電機組規模也在逐漸擴大。為高效、可靠地進行風力發電，滿足其規模化、低成本應用的核心需求，有必要解決其關鍵難題。

變速恒頻雙饋風力發電機組采用基于風速的功率控制策略，對風能進行了最大捕獲。具體來說，在切入風速與額定風速間的預定范圍內，該策略能夠有效調整機組的運行狀態，保證其在不同風速條件下均能高效利用風能。調節電機轉子勵磁電流、頻率等參數，以追蹤最優輸出功率，并調整風機槳葉的傾斜角度，使其達到額定功率。研究結果顯示，以風速為基礎的風電機組功率控制策略有助于提升風電機組的風電利用率，為保證風電機組的穩定、可靠運行提供支持。

參考文獻

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