風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)研究

郭哲坤

（大唐山西新能源公司，山西 太原 030000）

近年來，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快，人們在生產(chǎn)生活中需要越來越多的能源和資源，但是能源和資源是有限的，所以科學(xué)界陸續(xù)研發(fā)新型能源。而風(fēng)能是可再生性能源，它在我們國家的運(yùn)用較為普遍，其開發(fā)的難度較小。另外，風(fēng)能給環(huán)境帶來的污染是很小的，不需要投入太多的成本即可產(chǎn)生較大的能量，具有較好的應(yīng)用前景。從現(xiàn)階段一些專家學(xué)者對風(fēng)力發(fā)電的研究來看，風(fēng)力發(fā)電的主要研究內(nèi)容是發(fā)電機(jī)的制造以及風(fēng)機(jī)的管控，如果要充分發(fā)揮風(fēng)力發(fā)電的作用，就應(yīng)該對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)深入研究，具體到風(fēng)輪的控制、變壓器的運(yùn)行、發(fā)電機(jī)等。

1 風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)的進(jìn)展情況

（1）國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的具體情況。從技術(shù)的角度來看待風(fēng)力發(fā)電，可以發(fā)現(xiàn)，我們國家風(fēng)力發(fā)電企業(yè)堅(jiān)持三步走的戰(zhàn)略，通過引進(jìn)其他國家的先進(jìn)技術(shù)、進(jìn)一步消化和吸收、自主研發(fā)和創(chuàng)新?，F(xiàn)在，國內(nèi)主要使用的風(fēng)電機(jī)組都是兆瓦級別的，這說明我國現(xiàn)在掌握了自主研發(fā)兆瓦級風(fēng)機(jī)能力。另外，生產(chǎn)和制造風(fēng)電設(shè)備行業(yè)也有了較大的發(fā)展，中國自產(chǎn)的機(jī)組具有較大的市場份額，并且國產(chǎn)的風(fēng)電裝備與現(xiàn)在的風(fēng)電發(fā)展需求相一致，比如說，風(fēng)電機(jī)與一些重要的零部件，然而技術(shù)要求更高的零部件還是依靠國外進(jìn)口，如變流器和主軸軸承這類零部件。所以要不斷地創(chuàng)新風(fēng)電裝備制造技術(shù)，具備自主研發(fā)的技術(shù)和能力，而風(fēng)電控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的重要內(nèi)容，在當(dāng)下的研究中具有重要意義。

（2）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制。由于自然風(fēng)在不同時(shí)期和不同氣候條件下會出現(xiàn)不同風(fēng)速和風(fēng)向，所以有效地控制發(fā)電系統(tǒng)是一項(xiàng)重要的工作，首先需要有效地控制好機(jī)組內(nèi)的切入和切出電網(wǎng)、對輸出功率進(jìn)行控制、并檢測風(fēng)輪是否出現(xiàn)運(yùn)行故障、做好保護(hù)措施。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)由之前的定槳距恒速運(yùn)行技術(shù)發(fā)展至現(xiàn)在的變槳距變速運(yùn)行技術(shù)，有了較大的突破和超越，達(dá)到了城市中基本的供電指標(biāo)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中關(guān)鍵的技術(shù)是機(jī)組功率的調(diào)節(jié)技術(shù)，包括主動失速、定槳距失速和變槳距調(diào)節(jié)等。當(dāng)下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具備了變槳距變速運(yùn)行技術(shù)，對風(fēng)速和風(fēng)向的變化進(jìn)行控制，另外，風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)不只是在機(jī)組內(nèi)達(dá)到脫網(wǎng)、并網(wǎng)和調(diào)向控制的作用，還可以通過變距系統(tǒng)進(jìn)一步管控好機(jī)組的運(yùn)行速度和功率，從而確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全以及速度的加快，推動電力行業(yè)的快速發(fā)展。

2 風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)的研究

（1）風(fēng)力發(fā)電和電力電子變換器的控制技術(shù)：①電力電子變換器的控制技術(shù)。從整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中可以發(fā)現(xiàn)，存在著電力電子變換器，并且電力電子變換器的特征表現(xiàn)在多方面：使用面較為廣泛，可以有效地用于大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中；風(fēng)能轉(zhuǎn)換過程中能量的轉(zhuǎn)換率較高，完成轉(zhuǎn)換后具備很高的傳輸效率；還可以完善無功功率因素；其使用的安全性和可靠性很高。電力電子變換器的運(yùn)行功率高且功率范圍也很大；該設(shè)備無須花費(fèi)很多成本。通過運(yùn)用pwm 整流器于風(fēng)電系統(tǒng)中，能夠最好地控制系統(tǒng)的最大功率。而運(yùn)用整流器的時(shí)候，通過矢量的控制方法可以解除有功功率和無功功率之間的障礙，保證無功功率符合運(yùn)行的相關(guān)要求。另外，pwm 整流器還可以使有功功率的輸出量最大化，設(shè)置好直流環(huán)節(jié)并調(diào)整風(fēng)電系統(tǒng)中無功和有功功率。②風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電需要借助風(fēng)力進(jìn)行，這是因?yàn)轱L(fēng)力與地面距離相差加大，這樣一來，能量轉(zhuǎn)化工作在空中就能完成。發(fā)電機(jī)和相關(guān)設(shè)備都需要努力提升工作效率，并且減輕物體的體重。永磁發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢在于運(yùn)行效率高且損耗較小，所以被普遍運(yùn)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。發(fā)電機(jī)制造還可以通過模塊化方式開展，這樣能減少所需花費(fèi)的成本，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行管控的過程中，一般都會采用矢量的控制方法，這類方法有效地解除了交軸電流與直軸電流之間的矛盾，也就使系統(tǒng)功率的因數(shù)控制簡單化。

（2）風(fēng)輪的控制技術(shù)：①利用功率信號的反饋。利用功率信號的反饋進(jìn)一步管控好風(fēng)輪的功率信號，當(dāng)風(fēng)輪運(yùn)行時(shí)，它們的功率與實(shí)際條件的改變是一致的，然后再對功率的關(guān)系作出分析，之后繪制出最大功率的曲線圖，完成以上工作后接著做后面的工作。在實(shí)際操作時(shí)，還應(yīng)該對比最大功率與系統(tǒng)中的實(shí)際輸出功率，獲取它們的差值大小，之后再進(jìn)行風(fēng)輪槳矩的調(diào)整工作，這樣才有助于風(fēng)輪的運(yùn)行功率最大化。這種方式使成本無須花費(fèi)過多，但是風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)要獲得最大功率曲線較為困難。②管控好葉尖速比。受到風(fēng)力作用的影響，風(fēng)輪中風(fēng)葉尖端轉(zhuǎn)動時(shí)具有線速度，并且將其稱為葉尖速。其中葉尖速比表示為葉尖速與這個時(shí)間之內(nèi)的風(fēng)速形成的比值。對葉尖速比進(jìn)行控制的主要方法是控制葉尖速比值，從而進(jìn)一步改善風(fēng)機(jī)的運(yùn)行系統(tǒng)。因?yàn)轱L(fēng)速不相一致，所以很難有效地確定出最合適的葉尖速比，應(yīng)該適當(dāng)?shù)馗淖兒驼{(diào)節(jié)葉尖速，并調(diào)節(jié)好風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，這樣才能更好地調(diào)整風(fēng)輪外邊緣的速度，使葉尖速比得到優(yōu)化處理。

（3）現(xiàn)代化的控制技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電中現(xiàn)代化的控制技術(shù)可以分為以下幾種類型：魯棒控制技術(shù)、變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)、智能控制技術(shù)以及自適應(yīng)控制技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，以變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)為主，該技術(shù)運(yùn)用廣泛是因?yàn)榫哂泻芸斓姆磻?yīng)力、設(shè)計(jì)較為簡單、實(shí)現(xiàn)難度不大；處理一些多變量問題時(shí)，魯棒控制技術(shù)可以發(fā)揮出很好的作用，具有較強(qiáng)穩(wěn)定性的魯棒控制技術(shù)還能有效地處理好參數(shù)不準(zhǔn)、建模出現(xiàn)誤差或者物質(zhì)系統(tǒng)受影響的問題；而智能控制技術(shù)最突出的方法是模糊控制，它無須過度依賴數(shù)學(xué)模型，只需憑借專家經(jīng)驗(yàn)就能克服一些非線性因素帶來的影響。目前，一臺準(zhǔn)確的風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建成概率較小，所以對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制的過程中，可以多使用模糊控制方法。

（4）風(fēng)力發(fā)電中無功功率補(bǔ)償技術(shù)與諧波消除技術(shù)：①無功功率補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)。在感性元件的影響下，發(fā)電系統(tǒng)中一些無功功率呈現(xiàn)出消耗的狀態(tài)，電壓經(jīng)過感性元件的時(shí)候，因?yàn)橹皇菬o功功率的消耗使得感性元件兩邊無電壓變化，但是當(dāng)電壓較高時(shí)，經(jīng)過感性元件的電流較大會給元件帶來間接破壞。這時(shí)候，就要結(jié)合實(shí)際情況采取無功功率補(bǔ)償技術(shù)，并且壓抑住諧波作用。雖然無功功率補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用很廣，但還是存在一些不足。②諧波消除的技術(shù)。風(fēng)機(jī)發(fā)電的時(shí)候，由于存在諧波就是整個電能的質(zhì)量不高，也給電的電壓及頻率造成不良影響，使無功功率與有功功率間缺乏平衡，所以一定要把存在的諧波消除掉。具體開展過程中，因?yàn)橹C波會影響風(fēng)能的發(fā)電，首先，它會造成發(fā)電機(jī)的鐵損和銅損，在發(fā)電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生超同步諧振的現(xiàn)象；電力設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，諧波會造成設(shè)備出現(xiàn)熱故障，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行等。而消除諧波可以從以下幾個方面入手：第一，使用電力變流器和一些電力設(shè)備讓相應(yīng)的相位與諧波進(jìn)行抵消；第二，適當(dāng)調(diào)整電容器組，進(jìn)而改變無功功率，從而減少諧波對無功功率的影響；第三，運(yùn)用三角形的連接方式，這樣能減少諧波的進(jìn)入量。

3 結(jié)語

當(dāng)下，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景很良好，但還是存在一些問題需要我們?nèi)ソ鉀Q和思考。很多風(fēng)力發(fā)電企業(yè)還需要引進(jìn)其他國家的先進(jìn)技術(shù)，不光是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)，還有風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的制造，都需要借助其他力量才能完成。另外，在研制一些關(guān)鍵的零部件上，我們國家尚不具備先進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，并且規(guī)范程度也較低，所以這需要風(fēng)力發(fā)電企業(yè)在重視自主研發(fā)技術(shù)、學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，從而形成自主知識產(chǎn)權(quán)，不斷地促進(jìn)我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。