電氣控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

伍衛(wèi)華 高飛 巴恩 吳曉演

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-1862

作者簡(jiǎn)介：

伍衛(wèi)華（1969—）男，本科，?正高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏こ碳夹g(shù)。

高飛（1979—）男，本科，正高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏こ碳夹g(shù)。

巴恩（1994—）男，本科，工程師，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備運(yùn)行與檢修技術(shù)。

摘要：風(fēng)能作為一種取之不盡、用之不竭的自然資源，逐漸成為了人類(lèi)利用能源的重要選擇。但風(fēng)速、風(fēng)向等因素的變化會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。如何提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，是風(fēng)能利用面臨的重要挑戰(zhàn)。而電氣控制技術(shù)可以通過(guò)對(duì)設(shè)備的精確控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的有效監(jiān)測(cè)和控制，保證發(fā)電的穩(wěn)定和連續(xù)性。本文將深入探討電氣控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制中的應(yīng)用及其重要性。

關(guān)鍵詞：電氣控制技術(shù) ??風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) ??風(fēng)能預(yù)測(cè)優(yōu)化 ??電網(wǎng)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TM76

電氣控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制中的應(yīng)用對(duì)于提升風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定安全性、實(shí)現(xiàn)風(fēng)力資源的最大程度利用，以及降低外部因素對(duì)發(fā)電的影響等有重要作用。對(duì)電氣控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制中的應(yīng)用進(jìn)行研究，旨在提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，推動(dòng)風(fēng)能利用的可持續(xù)發(fā)展。

1電氣控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制中的應(yīng)用

電氣控制技術(shù)是研究如何通過(guò)電氣設(shè)備和電路來(lái)控制和調(diào)節(jié)電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保障生產(chǎn)安全的一門(mén)技術(shù)。電氣控制技術(shù)涉及到多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，如電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等。

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，電氣控制技術(shù)發(fā)揮著重要的作用。

1.1提升風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性和安全性

風(fēng)力發(fā)電的有關(guān)設(shè)施設(shè)備主要處在暴露環(huán)境中，自然環(huán)境的溫度、氣壓、濕度以及地勢(shì)等因素會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大的影響，使得有關(guān)設(shè)備的運(yùn)行也存在一定的隨機(jī)性和不確定性，對(duì)電能質(zhì)量和發(fā)電效率會(huì)產(chǎn)生阻礙。要想保證發(fā)電穩(wěn)定連續(xù)，就要開(kāi)展有效的監(jiān)測(cè)控制，這就需要電氣控制技術(shù)的大力支持[1]。

1.2實(shí)現(xiàn)風(fēng)力資源的最大程度利用

風(fēng)力資源如果想要得到最大程度的利用，就需要相應(yīng)的控制技術(shù)保證設(shè)備運(yùn)行的連續(xù)性。借助電氣控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的準(zhǔn)確測(cè)量和控制，從而優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，提高發(fā)電效率。

1.3提升風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的銜接效率

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間進(jìn)行銜接時(shí)，有關(guān)設(shè)備的運(yùn)行效率大大提升，發(fā)電機(jī)組可以穩(wěn)定安全地運(yùn)行。電氣控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的精確控制，確保其與電網(wǎng)的穩(wěn)定連接，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2電氣控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制中的應(yīng)用

2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制

2.1.1啟動(dòng)與停止控制

通過(guò)電氣控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)和停止。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定水平時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)風(fēng)速傳感器的信號(hào)，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組并開(kāi)始發(fā)電。這樣可以充分利用風(fēng)能資源，提高發(fā)電效率。當(dāng)風(fēng)速過(guò)低或過(guò)高時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)停止發(fā)電機(jī)組，避免設(shè)備損壞。這是因?yàn)轱L(fēng)速過(guò)低或過(guò)高可能會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組造成損害，如葉片損壞、電機(jī)過(guò)載等。通過(guò)電氣控制技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速，并根據(jù)需要調(diào)整發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，確保設(shè)備的正常運(yùn)行和安全性。此外，電氣控制技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組的功率控制和保護(hù)控制。例如：當(dāng)風(fēng)速突然增加時(shí)，控制系統(tǒng)可以迅速降低發(fā)電機(jī)組的功率輸出，避免設(shè)備過(guò)載。同時(shí)，控制系統(tǒng)還可以對(duì)發(fā)電機(jī)組的溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保設(shè)備在安全范圍內(nèi)運(yùn)行[2]。

2.1.2功率控制

為了確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行并避免過(guò)載，電氣控制技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)的輸出功率，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。例如：當(dāng)風(fēng)速突然增加時(shí)，風(fēng)能會(huì)迅速增加，從而可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組的功率輸出迅速增加。如果這種增加沒(méi)有得到及時(shí)的控制，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組過(guò)載，進(jìn)而損壞設(shè)備。此時(shí)，電氣控制技術(shù)可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)的輸出功率，以及相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)，如電流、電壓等，來(lái)及時(shí)判斷發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)功率輸出過(guò)大，控制系統(tǒng)可以迅速采取措施，如降低發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、調(diào)整葉片角度等，以降低功率輸出，避免設(shè)備過(guò)載。此外，電氣控制技術(shù)還可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)模型，對(duì)風(fēng)速和功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而提前進(jìn)行控制調(diào)整，以更好地適應(yīng)風(fēng)速的變化，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1.3保護(hù)控制

電氣控制技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的保護(hù)。例如：當(dāng)發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，如電機(jī)故障、齒輪故障等，控制系統(tǒng)可以迅速切斷電源，以避免故障擴(kuò)大。這可以保護(hù)設(shè)備免受進(jìn)一步的損壞，并減少停機(jī)時(shí)間，提高設(shè)備的可用性和壽命。同時(shí)，電氣控制技術(shù)可以對(duì)發(fā)電機(jī)組的溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這些參數(shù)可以反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和健康狀況。當(dāng)參數(shù)超出安全范圍時(shí)，控制系統(tǒng)可以發(fā)出警報(bào)或采取相應(yīng)的措施，如降低發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)等，以確保設(shè)備在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。此外，電氣控制技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的定期維護(hù)和保養(yǎng)[3]。通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析和預(yù)測(cè)，可以提前發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題并進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，減少故障發(fā)生的概率，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

2.2風(fēng)能預(yù)測(cè)與優(yōu)化

2.2.1風(fēng)速預(yù)測(cè)

為了充分利用風(fēng)能資源，需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)的風(fēng)速變化。通過(guò)氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等氣象參數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)輸入電氣控制系統(tǒng)的算法中。電氣控制系統(tǒng)的算法可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，利用歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)模型，對(duì)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測(cè)。這種預(yù)測(cè)可以幫助決策者提前了解風(fēng)速的變化趨勢(shì)，從而調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。例如：當(dāng)預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)風(fēng)速將增加時(shí)，控制系統(tǒng)可以提前增加發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)風(fēng)速的變化。當(dāng)預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)風(fēng)速將降低時(shí)，控制系統(tǒng)可以提前降低發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，以避免過(guò)載和設(shè)備損壞。通過(guò)這種預(yù)測(cè)和調(diào)整策略，電氣控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能資源的優(yōu)化利用。

2.2.2能量調(diào)度

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常會(huì)并網(wǎng)運(yùn)行，以增加發(fā)電量和提供更可靠的電力供應(yīng)。然而，并網(wǎng)運(yùn)行也帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)，如不同機(jī)組之間的功率協(xié)調(diào)、電網(wǎng)穩(wěn)定性的保持等。而電氣控制技術(shù)可以通過(guò)能量調(diào)度功能來(lái)解決這些問(wèn)題?？刂葡到y(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的需求和各機(jī)組的狀態(tài)，并根據(jù)這些信息進(jìn)行智能決策。根據(jù)電網(wǎng)的需求，控制系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)整各機(jī)組的功率輸出，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[4]。例如：當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷增加時(shí)，控制系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)各機(jī)組增加功率輸出，以滿足電網(wǎng)的需求。當(dāng)某一機(jī)組出現(xiàn)故障或性能下降時(shí)，控制系統(tǒng)可以調(diào)整其他機(jī)組的功率輸出，以保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.3電網(wǎng)接入控制

2.3.1并網(wǎng)控制

并網(wǎng)操作是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)連接的關(guān)鍵步驟，涉及電氣安全、電力質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性等多方面的問(wèn)題。因此，在并網(wǎng)操作之前，需要對(duì)并網(wǎng)條件進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)和判斷，確保發(fā)電機(jī)組滿足并網(wǎng)要求。電氣控制技術(shù)可以通過(guò)傳感器、檢測(cè)裝置等設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、電壓、電流等參數(shù)，以及電網(wǎng)的電壓、頻率等參數(shù)。當(dāng)這些參數(shù)滿足并網(wǎng)條件時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯和控制策略，判斷是否可以進(jìn)行并網(wǎng)操作。在并網(wǎng)操作過(guò)程中，電氣控制技術(shù)還可以對(duì)并網(wǎng)過(guò)程進(jìn)行精確控制。例如，控制系統(tǒng)可以根據(jù)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)的電壓、頻率等參數(shù)，精確控制發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)速度和并網(wǎng)角度，確保并網(wǎng)操作的順利進(jìn)行。

2.3.2電壓與頻率控制

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的電壓和頻率是電氣控制技術(shù)的重要功能之一。通過(guò)傳感器、檢測(cè)裝置等設(shè)備，控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取電網(wǎng)的電壓和頻率數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)反映了電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于評(píng)估電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性具有重要作用。

根據(jù)電網(wǎng)的電壓和頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整是電氣控制技術(shù)的關(guān)鍵任務(wù)之一。當(dāng)電網(wǎng)的電壓或頻率出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯和控制策略，迅速調(diào)整發(fā)電機(jī)組的功率輸出，以保持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。這種調(diào)整可以減少電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)其他用電設(shè)備的影響，確保電力供應(yīng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.4故障診斷與預(yù)測(cè)

2.4.1故障診斷

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障是常見(jiàn)的情況。為了快速確定故障原因并進(jìn)行維修，電氣控制技術(shù)可以利用歷史數(shù)據(jù)和專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)進(jìn)行故障診斷。例如，電氣控制技術(shù)可以收集發(fā)電機(jī)組的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)。這些數(shù)據(jù)可以反映發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和性能變化。通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生前后的參數(shù)變化，從而初步判斷故障的原因和部位；電氣控制技術(shù)可以利用專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)進(jìn)行故障診斷。專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)是包含大量專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以對(duì)各種故障情況進(jìn)行分類(lèi)和描述[5]。通過(guò)與專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)和分析，可以進(jìn)一步確定故障的原因和部位，為維修人員提供準(zhǔn)確的維修指導(dǎo)。

2.4.2故障預(yù)測(cè)

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，設(shè)備故障是不可避免的。為了減少故障的發(fā)生和影響，電氣控制技術(shù)可以對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)的變化趨勢(shì)和異常情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)潛在的故障征兆時(shí)，電氣控制技術(shù)可以及時(shí)發(fā)出警報(bào)或進(jìn)行干預(yù)，提醒維修人員注意并進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。這種預(yù)防性維護(hù)可以避免故障的擴(kuò)大和惡化，減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間，提高設(shè)備的利用率和壽命。此外，通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，電氣控制技術(shù)還可以對(duì)設(shè)備的性能進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析和預(yù)測(cè)模型的建立，可以預(yù)測(cè)設(shè)備未來(lái)的性能變化和潛在故障風(fēng)險(xiǎn)。這種預(yù)測(cè)功能可以為維修人員提供更準(zhǔn)確的維修計(jì)劃和指導(dǎo)，提前采取措施進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)，確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電氣控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制中的應(yīng)用具有廣泛性和重要性。從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)操作到電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，再到故障預(yù)測(cè)和預(yù)防性維護(hù)，電氣控制技術(shù)都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。未來(lái)，隨著智能化、自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣控制技術(shù)將在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用，推動(dòng)風(fēng)能利用的進(jìn)一步發(fā)展，為全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變和環(huán)保事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。

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