风力发电电气控制技术应用研究

周伟强

（国家能源集团龙源江永风力发电有限公司，湖南永州 425400）

1 风力发电电气控制技术概述

风力发电相较于其他发电方式而言有着较大的不稳定性，极易受到外部各种因素的干扰，如风速、风向、气压、温度等。因此，在对电气控制技术加以运用时，必须将此方面作为突破口，有效减轻外部因素对风力发电的影响。此外，为了提升风力发电的效率，要对各种可能用到的发电设备的风能利用率展开准确的分析，以此寻求提升风能转化率的策略[1]。比如，我国通过研究风力发电叶片荷载、稳定程度、风力利用效率，把风力发电机叶片长度设置为6m ～10m，在此种状态下的转化效率相对更高。另外，风力发电装置所处环境普遍比较恶劣，在进行后期保养维修时若是仅凭人力完成有关工作具有较大的安全风险，所以，要求引入远程遥感控制技术，从而全方位提升风力发电中的电气控制效果。

2 风力发电现状

2.1 电网质量无法获得保障

风力发电最为突出的问题便是不够稳定，而这同时也是导致电网质量得不到有效保障的关键因素。因为风力发电基于风力实现发电，而风能本身就存在较强的变动性，无论是风速还是风向都时刻处于变化的状态。因此，若无法做到对风能的准确把控，在风速和风向发生变化后便会使得复合装置以及电能均会随之发生变化，如果骤然发生突变而超过了电网可承受限值时，则可能引起电网受损。

2.2 风能发电系统组成繁琐

因为科技实力的局限性，当前我国风能发电系统的构成较为繁琐，其中主要包括了两种系统模型，即线性与非线性模型，均已经在风力发电行业得到了广泛的应用，不过由于两者在功能效果以及使用条件上有所差别，因此要求采取传统的技术方式，也就导致无法充分满足两种模式下风力发电系统的运作需求。由此可知，对电气控制技术的有效利用十分重要。

2.3 风能发电厂机组运维问题

发电机组方面存在的问题主要包括了变电器、风电机、输送设备等在发电过程中引起的稳定运转问题[2]。目前，风电设备的运行欠缺完善、可准确预测机组的管理体系。运维上则表现出下述问题：（1）风力发电的电气设备维护通常采取的是定时检修、故障维修，而且普遍是在电气设备出现故障之后才展开系统性的维修，属于维护的初期环节；（2）现行的风电检测大多只关注电气设备，也就是控制室实测电机、变压器的传输功率等方面，并未详细检查电气设备的使用寿命和带有隐患因素的零配件，导致电气设备运作时不能准确、实时地掌控其运行状态，导致在维护环节才能发现问题；（3）很多风电厂采取的管理方法比较粗放，采用的是水电、火电控制模式，管理工作的开展不够系统、规范，而且较为死板、陈旧。维护人员专业能力较低、欠缺工作热情、责任意识较弱，因此使得风电设备频繁出现故障，而且需要经历长时间的维修方可恢复正常使用，严重影响了风电设备的运行效率。

3 电气控制技术在风力发电中的应用

3.1 变桨距发电技术

在进行风力发电时，若是发电主机具有功率太低的问题，便会导致发电效率下降、质量不高，从而不利于风能的高效使用，由此影响到风能发电效果。因此，要对风力发电机组运作期间的有关风速功率实行严格把控。应用变桨距发电技术，解决发电主机太低的问题，通过桨距角度的调整使有关机组设备在遇到比较高的风速时也可以做到对发电的精准、有效控制，从而更好地利用风能。此外，因为科技的不断发展、创新，国内在生产制造风力发电机的扇叶时，所使用的材料质量也发生了较大的改进，自重大幅减小，因此，也就使得有关装置的总重量随之减小，减小了冲击荷载作用力。把变桨距技术运用到此方面可以降低设备运作出现故障的概率，由此提高风能发电的控制效果。尽管此技术的引入能大幅提高风能利用效率，不过在稳定性层面依旧存在较大的改善空间，而且需要投入大量的资源，会耗费大量的人力、物力，所以必须要对其进行持续改进。

3.2 浆距失速发电技术

此项技术的运用，不仅具有传统发电技术的各项优势，而且还融合了更加先进的发电理念，对该技术的高效运用，能够提高风力发电系统运作的稳定性，让系统可以长时期处于安全、高效的运作状态。风力发电对并网之中的发电装置运作稳定性具有比较严格的要求，通过引入定桨距失速发电技术，能将叶片复杂构造的优势充分发挥出来，有利于工作人员对发电装置的准确调控，不过也可能会出现消耗无用功的情况，这是因为叶片自重太大，给发电装置的运作效率带来了一定的负面影响。

在具体运用定桨距失速发电技术时，外界环境因素也有可能会对其产生影响，因此其使用起来具有局限性，只能运用在风力等级不存在太过严格限制的环境下。如果风力等级过高，就不再使用此技术。如果想扩大此技术的运用范围，则要求技术研究人员对其展开更进一步的探究。

3.3 变速风力发电技术

从表面上看，该技术也就是变更原来的发电机恒速运动，在风速出现变化的情况下，风力发电机组的运行状态也会随时变动，如此便可以按照风速高低及时调整发电系统中各种设备的运作状态，由此得到稳定的发电频率，提高发电的整体质量。而在碰到高强度的风力时，发电效率以及质量均会由于功率上的问题而受到一定影响，要想最大程度上减轻该问题带来的影响，要求对风轮转速相关指标实行调控。若是处于低风速条件下，就要求尽量多地采集风能，以此确保输出功率更加稳定。而需格外注意的是，在不同地区中，风速的大小与变动规律都或多或少具有区别，强化对电气控制技术的应用，能在提高发电效率和质量上起到较大的促进作用[3]。在运用变速风力发电技术时，牵涉到的电气控制技术包括：（1）交流励磁双馈型；（2）永磁发电机类型；（3）笼型异步发电机类型；（4）磁场调制型及无刷双馈发电机。上述控制技术最为关键的便是要求提升风能的转化率，还要做到独立调整输出功率、无功功率，在变桨距的调整方面也更为方便、灵活，能够使发电设备的运作功率得到显著提高。

3.4 主动失速发电技术

此项技术又可称为混合失速发电控制技术，是定桨距、变桨距两种发电控制技术联合形成的，如此便能有效解决定桨距发电控制技术运用成本较大的问题，还能改善变桨距技术中发电频率方面的缺陷。所以，该技术具备十分明显的优势，综合了定桨距、变桨距控制技术的优点，而且还有效补足了这两项技术的缺陷。主动失速发电技术的具体运用原理：对不同桨距角加以合理调节，以此实现对风能的高效捕捉以及对风速变动的快速适应。

3.5 低电压穿越技术

如果在实际发电过程中，风电场并网点三相电压位于电压轮廓线之中，则此时风电机组可做到持续性的并网运作；如果并网之中存在一相电压位于电压轮廓线以下，则风电场内的发电设备可以由电网切出。如果具体的并网电压值降低了大约1/5 的额定电压，则此阶段的发电设备必须具有并网运作625ms 的低电压穿越能力；若具体风电场并网点电压可以在发生跌落状况后2s 以内获得恢复，就能处于额定电压的9/10，则在此期间的风电机组必须可以完全满足持续并网运作的有关要求；若电网发生了一定的故障，而且未能把发电设备移除，则故障处理后，该功率数值必须与未出现故障前持平。

将低电压穿越技术运用到风力发电系统中，主要起到的作用包括：（1）将变流器调整为低电压穿越状态，所接通的控制器装置要求把设备计算、计时过程中所测得的电压实际状况加以掌握，低电压在穿越过程中可以对电网具有的故障做充分处理，利用变桨实现对转速闭环的合理调整，此时的目标转速也就是同步转速；（2）若在具体发电期间低电压发生穿越失败的状况，则此时所使用的变流器装置信号要加以准确判断，而且也要利用主控系统采取计时的方法实行判断，不过具体发电中主控系统会对测量电压结果的准确程度带来重大影响。针对主控判断失误触发时间等层面的问题，要基于标准判定时长，如果穿越失败，则必定会引发一系列故障，从而使得发电装置停止运作[4]。待到低电压完成穿越以后，功率也会恢复正常，一般可以恢复至跌落前的1/10。而在功率恢复期间，要求把计算转速作为关键依据对其实行有效的调整。另外，还要求放开屏蔽电网，这样做的目的在于恢复电压，待电压恢复以后，就可以对其顺利调控。

3.6 无功功率补偿及谐波消除技术

由于在风力发电期间会受到风速、风向等多方面因素的干扰，产生无功消耗，因此，要求实行无功功率补偿。受到一部分元件的干扰，发电系统中产生一定的无功功率消耗，而当电压通过这些元件时，因为只有无功功率消耗，从而导致该部分元件两侧电压未产生变化。但是，若存在高强度的电压，则在经过这些元件时会对其造成破坏。针对此种状况，应当根据实际情况，利用无功功率补偿技术，做到对谐波作用的有效抑制。此外，在风力发电期间，由于谐波的存在而导致总体电能质量下降，并且还会让电压、频率等也受到较大影响，使得无功功率与有功功率间的平衡状态被打破，要求对谐波采取一系列控制措施。一旦具有谐波便会对风力发电效果带来负面影响，会引起发电装置的铁元件、铜配件受损，还会导致发电机内部出现超同步谐振的问题。此外，相关电力装置运作时会出现热故障，导致发电系统无法安全地运作，整体发电的稳定性受到破坏[5]。为了消除控制，可采取以下措施：（1）利用电力变流器与配套的电力装置，使得相位和谐波彼此抵消；（2）对电容器组展开适当的调节，以此变更无功功率，降低谐波给无功功率带来的影响；（3）采取三角形连接形式，降低谐波的通入量。

4 结语

据有关调查显示，全球能源需求量呈现为逐年上涨的趋势，而过去广泛应用的传统化石能源属于不可再生能源，终会面临枯竭的一天。所以，为了更好地保障社会发展，使人民生活的能源使用需求得到满足，就要注重对新型清洁能源的开发与利用，而风能就是目前应用较多的一种清洁能源。在风力发电方面，为提升风能转化率，让整个发电过程更加安全、稳定，就要求加强对电气控制技术的应用，要详细分析实践过程中出现的问题，加强技术优化和创新改进，由此将此技术的功能、作用充分地发挥出来，为风力发电行业的进一步发展提供技术支持。