風(fēng)力發(fā)電機及風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)綜述

邢鎮(zhèn)韜

摘要：風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)還是具有非常樂觀的發(fā)展前景的，盡管仍然存在許多問題需要解決。而且風(fēng)力發(fā)電技術(shù)通過不斷的完善以及創(chuàng)新，已經(jīng)逐漸成為當(dāng)前新型清潔能源中一個非常重要的組成部分，基于此，本文對風(fēng)力發(fā)電機及風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)理念概述、風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及風(fēng)力發(fā)電機及風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機;風(fēng)力發(fā)電;控制技術(shù)

在能源和資源快速消耗的當(dāng)下，自然生態(tài)環(huán)境也在受到資源消耗的影響逐漸惡化，因此，為了可以謀求經(jīng)濟健康穩(wěn)定持續(xù)地增長下去，應(yīng)該大力地開發(fā)一些新型的清潔能源來緩解環(huán)境的繼續(xù)惡化以及資源的快速消耗。風(fēng)力能源的出現(xiàn)，能有效地緩解當(dāng)前階段出現(xiàn)的能源危機，從而進(jìn)一步有效地推動當(dāng)前社會經(jīng)濟的不斷持續(xù)增長。

1 風(fēng)力發(fā)電機及風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)理念概述

1.1 風(fēng)力發(fā)電機

1.1.1傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機

籠型異步發(fā)電機屬于傳統(tǒng)發(fā)電機中最為常用的一種，其工作原理是使用用于無功功率補償?shù)碾娙萜?，以與同步速度平行的恒定速度運行，使用恒定上升攻擊或有源信息亭刀以及與一速或兩速發(fā)電機一起工作。繞線式異步發(fā)電機是基于電機轉(zhuǎn)子由一個外部可變電阻組成，其工作原理是通過電力電子設(shè)備調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電路的電阻，以調(diào)節(jié)發(fā)電機的滑差速度，使發(fā)電機的滑差頻率提高10%，可以實現(xiàn)有限的工作變速。

為了降低異步發(fā)電機網(wǎng)絡(luò)中功率轉(zhuǎn)換器的功率，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中廣泛使用雙電源異步發(fā)電機，并且可以通過控制轉(zhuǎn)差頻率來實現(xiàn)對發(fā)電機雙饋速度的控制。然而，這種類型的發(fā)動機具有電刷結(jié)構(gòu)，該電刷結(jié)構(gòu)的可靠性可忽略不計并且需要頻繁維護(hù)，使其不適合在環(huán)境非常惡劣的風(fēng)力渦輪機發(fā)電系統(tǒng)中運行。

1.1.2新型風(fēng)力發(fā)電機

新型發(fā)電機是近些年來風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)改進(jìn)后的新型裝置設(shè)備，比較有代表性的就是開關(guān)磁阻發(fā)電機，開關(guān)磁阻發(fā)電機基于其簡單的結(jié)構(gòu)與高能量密度的影響，有著較好的過載能力與動靜態(tài)性，可以更好地保證其可靠性與效率。

無刷雙饋異步發(fā)電機是基于對電刷取消只有實現(xiàn)的電磁調(diào)節(jié)效果，可以有效調(diào)節(jié)速度，永磁無刷直流發(fā)電機可以將二極管與直流單波繞組進(jìn)行連接，效率更高，壽命更長。永磁同步發(fā)電機是在永磁體結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)低風(fēng)速資源應(yīng)用的重點，進(jìn)而可以有效地推動發(fā)電時間與發(fā)電效果。

1.2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

現(xiàn)階段我國常用的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)就是定槳距失速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、主動失速、混合失速發(fā)電技術(shù)以及變槳距風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。這些發(fā)電技術(shù)基本上都是依照空氣動力學(xué)實現(xiàn)的風(fēng)力運轉(zhuǎn)與風(fēng)力輸出效果，在高效率影響下，風(fēng)俗的變化與風(fēng)力的變化之間形成了穩(wěn)定的、趨于平穩(wěn)的處理效果，更好的突出了轉(zhuǎn)矩脈動補償?shù)膬?yōu)勢，在風(fēng)力發(fā)電中值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

2 風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

控制技術(shù)對于風(fēng)力發(fā)電機的重要性主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）風(fēng)力發(fā)電機所獲得的風(fēng)能是隨機的、無法控制的。風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)力的大小會隨著客觀自然條件的變化而改變，本身并不具有控制性，要想得到控制，就需要通過技術(shù)手段來實現(xiàn)。（2）風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪慣性很大，風(fēng)輪葉片直徑在特定的范圍內(nèi)可以有效利用風(fēng)能。（3）風(fēng)力發(fā)電所需要的并網(wǎng)、脫網(wǎng)都會用到控制技術(shù)?，F(xiàn)階段，很多技術(shù)都可以應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)也越來越先進(jìn)，控制方向越來越多元化。定槳距型風(fēng)力機只通過連接槳葉、輪轂并不能發(fā)生改變，在風(fēng)速高于額定風(fēng)速的情況下，通過失速原理可以限制發(fā)電機的功率。所謂失速原理，指的是氣流達(dá)到一定程度的攻角后就會產(chǎn)生渦流。當(dāng)外界因素讓輸出功率發(fā)生改變時，槳葉的被動失速調(diào)節(jié)就不會有任何控制，風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)就會更加簡化。然而，風(fēng)輪的葉片重量很大，一些部件受力大，所以發(fā)電機組的工作效率較低，一些重要部件也很容易損壞。

3 風(fēng)力發(fā)電機及風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)

3.1 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)電機小得多，可以降低材料的利用率，降低整機的重量。它的缺點是需要一個復(fù)雜的變槳距機構(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。

3.2 變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

變速運行是風(fēng)機葉輪的運行方式，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)矩脈動補償。

3.3 風(fēng)能發(fā)電中諧波消除

在風(fēng)機發(fā)電的過程中，諧波的存在會降低整體發(fā)電的質(zhì)量，導(dǎo)致電壓頻率等都會受到影響，所以必須要采取方式將諧波去除，盡可能地減少對于發(fā)電的干擾性。諧波可能會導(dǎo)致發(fā)電機的損壞，甚至?xí)?dǎo)致出現(xiàn)同步的葉振諧波，甚至?xí)?dǎo)致發(fā)電設(shè)備的熱故障，導(dǎo)致正常運行干擾，破壞正常的電子發(fā)電系統(tǒng)，影響傳感器的正確性。為了消除諧波，可以通過電力變流或者是無功率增加對電容器進(jìn)行調(diào)整等方式盡可能地減少諧波的影響。

3.4 ?現(xiàn)代控制技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)一般會有以下幾種控制技術(shù)：首先是變結(jié)構(gòu)控制;其次是自適應(yīng)控制及智能控制等方式。在風(fēng)電發(fā)電的過程中，其中變結(jié)構(gòu)的控制技術(shù)應(yīng)用范圍比較廣，主要是該方法響應(yīng)速度快，設(shè)置方便，能夠?qū)崿F(xiàn)。其中，智能控制系統(tǒng)是當(dāng)前十分重要的發(fā)展方向，但是由于當(dāng)前數(shù)字模型的依賴程度比較低，所以需要進(jìn)行有效的瓶頸克服，進(jìn)行技術(shù)的突破，才能夠有效地促進(jìn)智能控制系統(tǒng)的完善。

3.5 模糊控制

該方法也是一種較為典型的智能控制，其最大的特點就是將過往的經(jīng)驗以及相關(guān)的知識表達(dá)為語言規(guī)則進(jìn)行有效控制，必須要認(rèn)識到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是隨機性的非線性系統(tǒng)，因此模糊控制也非常適合于對風(fēng)力機的控制，在發(fā)電機轉(zhuǎn)速跟蹤以及最大風(fēng)能捕獲等諸多方面，都取得了非常好的效果。而籠型異步發(fā)電機則是采用模糊控機制對跟蹤設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，通過對參量的設(shè)置與學(xué)習(xí)，可以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)動效率。

3.6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)憑借其豐富的非線性模型映射機制以及較為高效的自主學(xué)習(xí)能力，為自適應(yīng)控制過程提高了極大的幫助。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)專家的經(jīng)驗，憑借以往觀察風(fēng)速的數(shù)據(jù)，對風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測。此外，在變槳距風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器在線學(xué)習(xí)，有助于實現(xiàn)快速捕獲風(fēng)能，有效減少機械負(fù)載力矩。也可以根據(jù)當(dāng)時的實際情況，按照風(fēng)速大小以及發(fā)電機的整體狀況建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制模型，提高效率降低事故的發(fā)生率，從研究觀測數(shù)據(jù)當(dāng)中尋找出規(guī)律，并且充分利用這些規(guī)律對于未來所無法及時觀測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，從而實現(xiàn)了有效控制。

4 結(jié)束語

在現(xiàn)階段的可再生能源技術(shù)當(dāng)中，毫無疑問風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是發(fā)展速度最為快速的技術(shù)之一，雖然我國在這領(lǐng)域當(dāng)中起步時間較晚，但是在總體應(yīng)用上已經(jīng)領(lǐng)先于歐美國家，并且在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上也具備了非常好的條件，幅員遼闊，部分地區(qū)常年處于大風(fēng)環(huán)境中。然而對于某些關(guān)鍵技術(shù)，仍然是落后于人，因此想要在風(fēng)力發(fā)電上取得好成績那么就需要在這些關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行突破，才能夠為我國經(jīng)濟的發(fā)展作出有益貢獻(xiàn)。

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