高效輕量化風(fēng)機(jī)技術(shù)的探討

陳清風(fēng)

【摘 ?要】我國風(fēng)力發(fā)電電氣控制技術(shù)主要包括有變槳距發(fā)電技術(shù)、定槳距失速發(fā)電技術(shù)、主動失速發(fā)電技術(shù)以及變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，這些技術(shù)的應(yīng)用過程有其優(yōu)勢，也有其缺點，相信在科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展下，這些技術(shù)都能夠得到有效完善。在未來技術(shù)的發(fā)展的變革中，一定會有更多更有效的模型建立和技術(shù)變革從而應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)乃至電力系統(tǒng)中，到時候我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)一定會趕超世界強(qiáng)國。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電機(jī);電氣控制技術(shù);發(fā)展趨勢

前言

我國目前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度飛快，同時也增加了對能源的需求量。由于風(fēng)能是可再生的清潔能源中最重要的組成部分，因此對它的開發(fā)力度將日益加大。在此過程當(dāng)中，風(fēng)電技術(shù)的研發(fā)與進(jìn)步顯得尤為重要。在未來的發(fā)展中，我們將投入更多的人力和物力資源來支持風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，加快對風(fēng)電行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和對技術(shù)方面的研究，優(yōu)化我國的能源結(jié)構(gòu)，為我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和節(jié)能減排作出重要貢獻(xiàn)。

1風(fēng)力發(fā)電機(jī)概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是一種能夠直接將機(jī)械能、風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的電廠機(jī)電設(shè)備。作為現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電的主要實施機(jī)構(gòu)，其由轉(zhuǎn)動裝置、塔架、對風(fēng)裝置、傳動動力裝置以及風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)等多個構(gòu)件組成。作為風(fēng)電場最為重要的發(fā)電設(shè)備之一，其綜合效率以及運(yùn)行穩(wěn)定性直接影響到生產(chǎn)效率與安全。為了進(jìn)一步提升安全性與穩(wěn)定性，同時也為了獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益，就必須關(guān)注風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行與維護(hù)工作，通過不斷提升電廠風(fēng)力發(fā)電機(jī)的維護(hù)水平來促進(jìn)行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

2風(fēng)力發(fā)電概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般包括兩部分：風(fēng)機(jī)部分、發(fā)電機(jī)部分。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)漿葉的功率調(diào)節(jié)方式，可分為定槳距機(jī)組、變槳距機(jī)組。前者漿葉、輪轂相連接，外界環(huán)境風(fēng)風(fēng)速變化時，迎風(fēng)角不發(fā)生改變;后者根據(jù)定槳距風(fēng)機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，風(fēng)機(jī)葉片可圍繞中心軸轉(zhuǎn)動，保證葉片迎風(fēng)角可調(diào)。兩種機(jī)組相比，后者可在額定功率之外仍維持較高的平穩(wěn)度，性能更突出，在大型機(jī)組中應(yīng)用較多。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不同，發(fā)電機(jī)可分為：異步發(fā)電機(jī)、同步發(fā)電機(jī)。確保變流機(jī)組的合理性便可保證設(shè)備維持穩(wěn)定的變速運(yùn)行狀態(tài)。

3技術(shù)現(xiàn)狀

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)電系統(tǒng)中實現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的核心部件，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)輪、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、功率變換器、變壓器等部分構(gòu)成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在發(fā)展初期均采用小容量直流發(fā)電機(jī)，隨著風(fēng)電機(jī)組向大型化方向發(fā)展，交流發(fā)電機(jī)已成為當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要形式。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)由早期的直流發(fā)電機(jī)、籠型異步發(fā)電機(jī)等演變?yōu)楫?dāng)前的雙饋異步發(fā)電機(jī)和低速直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)等。同時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身技術(shù)水平的提高，又有力地促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電整體技術(shù)的進(jìn)步。例如，雙饋異步發(fā)電機(jī)及其控制技術(shù)的成熟，使變速恒頻風(fēng)力發(fā)電得以實現(xiàn)，成為當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主流。若根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特征為標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)又可分為恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Fixed speed generator）、有限變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Limited variable speed generator）和變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Variablespeed generator）。

4風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)

4.1定槳距失速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在20世紀(jì)80年代中期開始進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電市場，重點解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)問題、運(yùn)行安全性以及可靠性問題。采取軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣制動技術(shù)、偏行和自動解纜技術(shù)。槳葉節(jié)距角在安裝時固定，發(fā)電機(jī)的速度受到電網(wǎng)頻率的限制，輸出功率受到槳葉自身特點的限制。風(fēng)速高于額定轉(zhuǎn)速時，槳葉可以通過失速調(diào)節(jié)自動保持額定輸出功率，一般依靠葉片獨有的翼型結(jié)構(gòu)，在遭遇大風(fēng)時，流過葉片背風(fēng)面的氣流發(fā)生絮流，減小葉片氣動效率，影響能量捕獲，出現(xiàn)失速。由于失速是一個非常復(fù)雜的空氣動力學(xué)過程，對于不穩(wěn)定的風(fēng)，很難準(zhǔn)確計算失速效應(yīng)，因此很少在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制中使用。

4.2變槳距風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

從空氣動力學(xué)的角度來看，當(dāng)風(fēng)速過高時，能夠通過調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距和改變氣流對葉片攻角，進(jìn)而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組得到的空氣動力轉(zhuǎn)矩，從而使輸出功率保持穩(wěn)定。采用變槳距調(diào)節(jié)方法，風(fēng)機(jī)輸出功率曲線平滑。當(dāng)風(fēng)吹時，塔筒、葉片和地基的影響比失速調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)小得多，可以降低材料的利用率，降低整機(jī)的重量。它的缺點是需要一個復(fù)雜的變槳距機(jī)構(gòu)，需要陣風(fēng)的響應(yīng)速度快到可以減少風(fēng)的波動引起的功率脈動。

4.3變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

變速運(yùn)行是風(fēng)機(jī)葉輪的運(yùn)行方式，其轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化而變化，保持最佳的葉尖速度比和最大的風(fēng)能利用系數(shù)。與恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，風(fēng)速隨風(fēng)速變化的變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在運(yùn)行中保持最優(yōu)的葉尖速度，獲得最大的風(fēng)能，當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化時，風(fēng)速變化較大，提高了系統(tǒng)的靈活性和傳輸能力，使輸出功率更穩(wěn)定，更有動力和功率轉(zhuǎn)矩脈動補(bǔ)償。

5風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的智能控制

5.1模糊控制

模糊控制是一種典型的智能控制方法，其最大的特點是專家的經(jīng)驗和知識被表達(dá)為控制的語言規(guī)則。它不依賴于受控制對象的精確數(shù)學(xué)模型，能夠克服非線性因素的影響，對被調(diào)節(jié)對象的參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個隨機(jī)非線性系統(tǒng)，因此模糊控制非常適合于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制。模糊控制在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤、最大風(fēng)能采集、發(fā)電機(jī)最大功耗、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)魯棒性等方面取得了良好的控制效果?；\式異步發(fā)電機(jī)采用模糊控制機(jī)制，通過模糊控制和模糊控制參數(shù)設(shè)置，提高了跟蹤裝置的性能，提高了功率控制的效率;計算光負(fù)載流量，實現(xiàn)發(fā)電機(jī)逆變器效率優(yōu)化;在功率偏差和變化時，可以在額定轉(zhuǎn)速下達(dá)到最大功率。變速恒頻無刷雙風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用自適應(yīng)模糊控制模型，實現(xiàn)了較好的魯棒性和抗干擾能力，通過模糊控制實現(xiàn)了最大的風(fēng)能捕捉，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有任意逼近非線性模型的非線性映射能力，其自學(xué)習(xí)和自收斂可作為自適應(yīng)控制器。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測風(fēng)速的變化，根據(jù)以往的風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)?；跀?shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)是現(xiàn)代智能技術(shù)的一個重要方面。研究是基于觀測數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)規(guī)則，并利用這些規(guī)則來預(yù)測未來的數(shù)據(jù)或不可觀測的數(shù)據(jù)，從而有效地控制工業(yè)過程。這些學(xué)習(xí)方法包括模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，可以從操作單元獲得大量重要的數(shù)據(jù)，以研究機(jī)組的動態(tài)特性和性能。因此，將上述數(shù)據(jù)驅(qū)動的機(jī)器學(xué)習(xí)方法與控制風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相結(jié)合是解決風(fēng)機(jī)控制問題的重要途徑之一。

6風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)發(fā)展趨勢

控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用有利于風(fēng)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用和推廣，緩解能源壓力，降低資源消耗，提高效率，促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的大規(guī)模、現(xiàn)代化、智能化發(fā)展。特別是在大型風(fēng)力發(fā)電控制中，可以有效地減少占用土地資源，提高系統(tǒng)的運(yùn)行能力。變槳距還有變速恒頻技術(shù)通過不斷的改進(jìn)創(chuàng)新，在實踐運(yùn)用中能夠降低風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的局限性。特別是直接驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用，可以有效地降低風(fēng)力發(fā)電的成本，提高能源效率，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益，同時避免污染和對周圍生態(tài)環(huán)境的破壞。

結(jié)束語

在全球能源過度消耗的生態(tài)環(huán)境下，對新能源的研究和利用已成為世界熱門的話題，風(fēng)力發(fā)電是新能源發(fā)電技術(shù)中最具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式，我國近幾年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，風(fēng)電新增裝機(jī)的容量穩(wěn)居全球前茅，因此，對風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行研究具有重要意義。

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（作者單位：國家電投集團(tuán)廣西興安風(fēng)電有限公司）