風力發(fā)電技術與功率控制策略初探

徐冬青

（寧夏銀星能源股份有限公司，銀川750021）

1 引言

相對于傳統(tǒng)能源來說，風能的開發(fā)利用不僅成本低，而且環(huán)保安全，最重要的是風能是可再生能源。目前風能的開發(fā)利用主要是風力發(fā)電。在實際工作中，風力發(fā)電機組對風力的利用率是比較低的，因此專家對風力利用率的提高技術研究一直沒有間斷。

2 風力發(fā)電技術概述

2.1 風力發(fā)電技術原理

風力發(fā)電技術指的是將風能通過風力發(fā)電機轉化為電能的技術。風力發(fā)電的過程就是把風能經(jīng)由機械能轉換為電能的過程，風能轉化為機械能的過程由風輪實現(xiàn)，機械能轉化為電能的過程由風力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)實現(xiàn)。風力發(fā)電技術的基本原理是風的動能通過風輪轉換為機械能，再帶動發(fā)電機發(fā)電轉換為電能。在這個過程中，風力發(fā)電機組大多為水平軸式風力發(fā)電機，它由多個部件組成，包括葉片、輪轂、增速齒輪箱、發(fā)電機、主軸、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等。

2.2 風力發(fā)電的特點

風能發(fā)電在近10年來已取得飛速發(fā)展，目前，全球風電裝機容量已近4 270億MW。風力發(fā)電技術能夠得到大量的推廣與它的特點是分不開的。風能屬于可再生能源，風力發(fā)電有充足的能源支持；風力發(fā)電技術建設周期短以及裝機規(guī)模靈活，在風能充足的地方可以用最短的時間建立風力發(fā)電基礎設施，可以用最快的速度將風能轉化為需要的電能；可靠性高和成本低使得風力發(fā)電的推廣使用迅速提高；風力發(fā)電在操作運行方面也是比較簡單的，而且風力發(fā)電建設占地面積小。風力發(fā)電的特點總結下來就是能源充足，操作簡單，成本低無污染。

3 風力發(fā)電技術的發(fā)展趨勢

隨著風力發(fā)電技術的推廣和使用，在不斷的實踐操作中，得到了越來越多的改善。將原有的風力發(fā)電單機容量小做了調(diào)整，增大了單機容量，同時也為了不占用更多的陸地資源，將風力發(fā)電陸地風轉變?yōu)楹Ｉ巷L，恒速發(fā)電機組向變速發(fā)電機組發(fā)展，有齒輪箱向直驅永磁式發(fā)展，小葉片低塔筒向長葉片高塔筒發(fā)展。

3.1 單機小容量向大容量的發(fā)展

目前，風力發(fā)電機組單機容量雖然已經(jīng)得到了較大改善，增大了單機容量，但在實際應用中仍然存在很大的不足，必須有新的突破才能適應日益增長的電力需求。先進國家的風力發(fā)電機組單機容量已經(jīng)朝著40MW的方向發(fā)展，因此應該加快研究力度，風力發(fā)電機轉變?yōu)轱L力發(fā)電站，風能的利用率將大大提高[1]。

3.2 風力發(fā)電由陸地風電向海上風電的發(fā)展

目前，陸地上的風力發(fā)電已經(jīng)得到了廣泛使用，但相對來說陸地上風能充足的地方較少，因此風力發(fā)電風能開始由陸地風能向海上風能發(fā)展，海上風電場規(guī)劃規(guī)模不斷擴大。將風力發(fā)電場地建設在海邊不僅可以緩解陸地占用土地資源的問題，而且海上的風能更充足，可以進行大規(guī)模、大批量的生產(chǎn)，在成本上也會降低很多。我國將在沿海地區(qū)建設大量的風力發(fā)電場地，到2020年底，全國規(guī)劃建設總容量達3000萬kW的海上風電場。

3.3 風力發(fā)電變速恒頻向變速恒頻直驅永磁同步發(fā)電機方向發(fā)展

目前風力發(fā)電的主流是變速恒頻風力發(fā)電機，在可靠性和變流技術上，變速恒頻直驅永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢。直驅永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)的使用，提高了系統(tǒng)的可靠性，全功率變流技術能夠很好地滿足低壓穿越要求。

3.4 風力發(fā)電有齒輪箱向無齒輪箱發(fā)展

在風力發(fā)電中有齒輪箱對風力發(fā)電工作要求高，加工難度大，而且設備較為沉重。因此直驅式風電技術得到迅速發(fā)展，無齒輪箱的直驅方式能有效地減少由于齒輪箱問題而造成的機組故障，減少風電場維護成本，而且可靠性和效率都有較大提高。目前國際先進的無齒輪箱直驅風力發(fā)電機的工作原理采用的是低速多極永磁發(fā)電機，這將會在未來受到廣泛推廣和使用。同時隨著直驅永磁式風電機組的不斷增多，全功率變流技術得到了廣泛發(fā)展和應用，使風輪和發(fā)電機的調(diào)速范圍擴展到0至150%的額定轉速，全功率變流技術能夠很好地滿足低壓穿越要求，可提高機組的風能利用范圍。

3.5 小葉片低塔筒向長葉片高塔筒的發(fā)展

風電葉片是風電機組中有效捕獲風能的關鍵部件，葉片長度隨風電機組單機容量的提高而不斷增長。根據(jù)頂旋理論，為獲得更大的發(fā)電能力，風力發(fā)電機需安裝更大的葉片，更高的塔筒。針對我國大多數(shù)地區(qū)處于低風速區(qū)的實際情況，國內(nèi)風力發(fā)電機通過技術創(chuàng)新，風輪葉片更長、塔架更高，捕獲的風能資源更多，目前10 MW海上風力發(fā)電機的葉輪直徑已達190 m，陸地普遍應用的2.5MW風機的葉輪直徑可達120m，塔筒高度達到100m，在低風速區(qū)域有更好的風能利用效率。

4 風力發(fā)電功率控制策略

4.1 風力發(fā)電機變槳距控制

在風力發(fā)電中風力發(fā)電機組在安裝結構上根據(jù)風輪葉片和輪轂可以分為定槳距風力發(fā)電機和變槳距風力發(fā)電機兩種。定槳距風力發(fā)電機是將葉片固定安裝在輪轂上，在工作過程中，槳葉是不會發(fā)生角度變化的。變槳距風力發(fā)電機在實際工作中必須解決風速變化時槳葉自動調(diào)節(jié)功率和風力發(fā)電機的制動功能。具體表現(xiàn)在：①變槳距風力發(fā)電機在葉片和輪轂之間采用非剛性聯(lián)結方式，這樣葉片就可以在工作中通過節(jié)距的調(diào)整，根據(jù)風速調(diào)整葉片和輪轂之間的角度。在實際工作中，無論風速怎么變化，葉片與輪轂始終保持在最佳的角度，在風力發(fā)電中可以提高輸出功率；②在風力過大超出風力發(fā)電機的切出風速時，就會自動停止工作，槳葉可以在風力機停止工作時保護風力機不會受到損害[3]。

4.2 風力發(fā)電機偏航控制

在風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)中風力機偏航控制是非常重要的組成部分。偏航控制系統(tǒng)在工作中與風力發(fā)電機組相互協(xié)調(diào)，可以保持風輪一直處在迎風狀態(tài)，這樣可以很大程度上提高風力發(fā)電機組的發(fā)電效率，同時也可以保障風力發(fā)電機組的運行安全。風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)分為主動迎風偏航系統(tǒng)和被動迎風偏航系統(tǒng)。風力發(fā)電機偏航控制系統(tǒng)在工作中主要是在風力發(fā)生改變時，可以更好地調(diào)整風力發(fā)電機，讓風力發(fā)電機始終處在風向的正前方，這樣可以最大限度地捕獲風能，對風力發(fā)電機的功率輸出有很大提升[2]。

4.3 風力發(fā)電機控制

在風力發(fā)電技術功率控制中，可以通過風力發(fā)電機來控制功率輸出。風力發(fā)電機大多采用雙饋異步風力發(fā)電機。雙饋異步發(fā)電機的最大好處就是可以根據(jù)風速變化進行適當調(diào)整，這樣可以保證風力發(fā)電機的運行始終是最佳狀態(tài)，對風能利用率的提高有很大幫助。同時，在雙饋異步風力發(fā)電機運行過程中，通過控制饋入的電流參數(shù)，在保持定子輸出的電壓和頻率不變的基礎上，調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，保障風力發(fā)電機的系統(tǒng)穩(wěn)定。

5 結語

通過對風力發(fā)電技術的分析，在實際工作中，為了更大限度提高風力發(fā)電機的輸出功率，對風力發(fā)電機進行了深入研究，同時對功率控制有了較大進步。通過風力發(fā)電機變槳距控制、偏航系統(tǒng)控制以及風力發(fā)電機控制，在很大程度上提高了風力發(fā)電機的輸出功率。