风力发电技术与功率控制策略

曹旭

摘 要：与核动力发电、火力发电相比，风力发电需要的成本相对较小，且安全性、环保性也比较高，属于一种可再生的发电形式，现阶段受到越来越广泛的重视。在实际进行风力发电的过程中，受到不同方面因素限制，如发电技术、发电机组等，风力发电的能源转化效率相对较低。

关键词：风力发电;功率控制;技术

中图分类号：TM614 文献标识码：A

在新型能源领域，风力发电越来越受到国家的重视。一方面，在新的时代背景下，对能源的应用量越来越大。但另一方面，能源却面临着枯竭的现状。相比其他能源，风能有较高的丰富性，清洁度也比较高，因此应用范围也比较广泛。我国有较为丰富的风力资源，在未来势必有更加广阔的发展空间。

1 风力发电技术

在新的时代背景下，生态环境恶化，能源也呈现出枯竭的压力。因此，基于上述实际状况，需要加快新能源的研究。除了应用水利发电技术，在新能源发展领域，风力发电也受到研究人员的广泛重视，且该技术有较大的开发规模，有较为广阔的发展前景。借助风力发电技术，能够起到保护生态环境、优化能源结构、推动经济社会可持续发展等作用，因此受到不同国家的重视[1]。借助风电场功率控制，能够有效分配风电机组，有效提升风电场电能质量，降低电网中的不利影响。借助风电机组功率控制，能够保证输出功率的稳定性、可靠性。但另一方面，风能还存在间接性、随机性等特点，因此会出现波动情况。其却不能如水、火电那样进行相应调控，将电能质量调整到合理范围，导致出现一系列的问题。因此，加强风力发电技术与功率控制策略研究，对风力发电工作发展的持久性有着十分密切的联系，需要借助不同方式提升风力发电的功率和质量。

将风的动能转变为机械动能，随后将机械能转变为电力动能。借助风力推动风车叶片运动，并结合增速机提升旋转速度，实现发电机发电，即是风力发电的基本原理。风电发电机组是风力发电所需要的装置，主要组成部分包括塔架、风轮及发电机等。风力发电技术推广范围越来越大，在多次实践中，风力发电技术也在不断完善。调整传统的较小的风力发电单机容量，增大单机容量。为了减少陆地资源占用情况，转变陆地风为海上风，转变恒速发电机组为变速发电机组，推动结构设计轻盈化、紧凑性、可靠性发展。现阶段，尽管风力发电机组单机容量已经有了一定的改善，但就實际情况来看，其中仍然存在一定的问题，需要结合实际情况有效突破，从而有效满足增长的电力需求。现阶段，大部分风力发电方式是陆上风力发电，应用海上发电的方式相对较少。一些发达国家重视技术发展，逐步加强对海上风力发电的重视。相比陆上风力发电，海上风力发电与其有类似的基本原理，但有更大的优势。在海上风力发电设备建造过程中，可以有效节约陆上土地资源，同时也有更大的风量，可以更充分的利用风能。现阶段，我国还在不断加强对海上风力发电的研究。变速恒频风力发电是现阶段风力发电的主流，其在变流技术、可靠性方面都有较大优势。借助直驱永磁同步发电机系统，能够有效提升系统可靠性，同时也能有效满足低压穿越要求。

借助无齿轮箱直驱式永磁风力发电机，能够有效代替增速齿轮箱，有利于降低加工难度、降低工作要求。在叶轮轴可以连接发电机轴，转子转速会结合风速变化，进行相应的转变，会使得输出交流电频率发生进一步变化[2]。在这一过程中，需要借助大功率电力电子变换器，转变交流电为直流电，并将输出与电网同频交流电逆变，可以实现较高的系统效率。虽然近些年风力发电技术取得了很好的成就，但从专业性方面来看，机组会出现较短寿命的情况。提升发电机组相关构件的可靠性，需要有效改善机组结构设计。优化机组结构设计，可以应用更高质量的材料，有效降低发电机组负荷，还有利于减少风机自重，降低部件花费的成本，有效提升经济效益。

2 风力发电系统结构

2.1 定速风力发电系统

在1980到1990年间，丹麦制造商曾对该种风力发电系统进行了应用。我国风电机组中也对系统进行过应用。双速感应发电机是该系统主要应用的发电机类型，在低风速区，小功率低速感应发电机有较为广泛的应用时，高风速区应用大功率高速感应发电机。如果风速大于额定风速，借助叶片失速情况，能够降低风能利用系数，有效维持功率恒定。风力机转速与风速不同，不能进行经常性的变化。因此，风能利用系统一般会大于最大值，会有较低的风能利用率，且运行效率也比较低。

2.2 变速风力发电系统

变速风力发电系统可以具体分为全功率变流器无增速齿轮箱风力发电系统、双馈感应发电机风力发电系统等。对于双馈感应发电机风力发电系统，其定子可以直接连接电网，变换器可以借助滑环与绕线转子连接。这一过程中，控制转子绕组电流主要借助变换器，对发电机转矩、发电机输出功率进行相应的调整。

为了有效获取风能最大转化效率，现阶段常用变速恒频矢量控制技术，其能够有效调整发电机转子相位、频率以及电流大小，有效保持恒定的最佳叶尖速比，从而实现风能最大转化效率。在此基础上，也可以借助相应的控制策略，有效调节系统功率，从而有效抑制谐波，降低损耗，提升系统效率。

对全功率变流器有增速齿轮箱风力发电系统而言，其主要应用全功率变流器，能够有效实现全范围内的变速。其中的发电机就类似于永磁发电机、同步发电机、感应发电机等，风力机连接增速齿轮箱后，借助变换器，发电机能够连接电网。对于全功率变流器无增速齿轮箱风力发电系统，其不同于上述发电系统之处为，取消增速齿轮箱，出现了多极电机形式。直接驱动永磁发电机有较为简单的传动系统、较高的效率等，在实践中也有一定的应用[3]。

对于风力发电系统并网控制与变换器，借助晶闸管软切入，在结束过渡过程中，需要及时切除变换器。对于变速风力发电系统，需要在结束变风速情况后，交换器转换风力机输出频率变化的交流电，连接柔性的交流电。为了获取最大风能，可以对风力机进行相应的调节、控制。应用交—交变换器进行变流工作，其有较高的效率，且能够开展四象限运行，进行双向流动，主要应用相控方式。对该变换器而言，应用交-交变换器进行定量的谐波，且在低频的情况下，有更大的谐波含量，且较低的功率因数。应用矩阵式交-交变换器，其主要采用了先进控制手段和全控器件，能够保证更加灵活、可控的输出点烟，较低的低频谐波含量，保证正弦的输入电流。应用交—直—交电压型变换器，主要是应用二极管不可控整流，输入会出现较大的谐波含量、较低的功率因数等。借助交—直—交点变换器，主要应用变换器，制定电路拓扑方案，能够有效控制风力发电系统中的谐波含量，同时也能够有效调节功率因素。在此基础上，借助上述变换器，能够对变换器实现四象限运行，保证更加便捷的操作。

3 风力发电机组功率控制技术

3.1 风力机变桨距控制

变桨距风力发电机以及定桨距风力发电机，是风力发电机的主要种类。对于上述两种发电机，轮毂上主要安装的是定桨距风力发电机，且借助非刚性联结方式来实现在叶片和轮毂间的连接，这样一来在风速改变的情况下，桨叶安装角不会随其发生相应的改变。在应用定桨距风力发电机过程中，需要注意以下问题：额定风速低于实际风速状况下，不能自动调节桨叶，使得其受到限制;在实际运行过程中，需要在紧急停机情况下出现制备的动能，从而保证发电机组的停机工作。在实际工作中，变桨距风力发电机需要解决风速变化时风力发电机的制动和桨叶自动调节功率功能，从而有效提高风力发电机组功率控制效果。

3.2 控制风力机偏航

在风力发电组控制系统中，一个重要组成部分即是偏航控制系统。其主要是配合风机机组控制系统，保障迎风状态，有效提升机组发电效率。受到不同因素影响，不能完全实现对风的情况，因此会出现不均的风力机组桨叶等，使得叶片出现疲劳的情况。因此，在实际应用过程中，工作人員要加强对风精度研究的重视。

3.3 风力发电机控制

现阶段，大型风力发电机的主要类型是双馈异步风力发电机。应用双馈发电机，其中的转子绕组的主要功能有调节频率、调节对幅值等。其能够在不同环境中运行，且在不同风速条件下，转速也能发生相应的转变，从而保证风力机最佳状态，有效降低风能利用率。

3.4 风速功率控制

风速变化在额定风速以及切入风速之间时，需要有效应用变速控制方法，能够有效追踪最佳功率曲线，从而获取最大功率。风速变化在额定风速以及切出风速之间时，需要有效应用变桨距控制方法，从而保障输出最大的功率，有效提升发电机组风力利用效率，保证风力机运行的可靠性、稳定性。

3.5 风向标基础下的偏航控制

上述控制方法需要明确风向变化，保证风向变化绝对值大于十五度，能够应用风向变控制方法，如果风向变化的绝对值小于十五度，则可以应用功率控制方法。这一过程中，发电机输出功率会因为风速变化出现相应的变化，借助功率检测仪，能够检测发电机输出功率，在发生风力变化后开展偏航控制工作。借助该种方法，能够有效缩短风力机对风的时间，有效提升风力机的精度、利用效率，延长风力机使用寿命。

4 结语

综上所述，风力发电技术以其自身的优点，如较高的便利性、清洁度较高等，在市场中的应用也越来越广泛，受到越来越多国家的重视。在实际应用风力发电技术过程中，需要基于风能的特性，即随机性、不稳定性等，有效控制技术，从而保证技术系统运行的高效性，促进功率控制工作。

参考文献

[1] 田钰.风力发电技术与功率控制策略[J].电力系统装备，2019（6）：48-49.

[2] 李玉刚.风力发电技术与功率控制策略[J].百科论坛电子杂志，2019（2）：516.

[3] 李旭兵.风力发电技术与功率控制策略研究[J].百科论坛电子杂志，2018（20）：600.