风力发电技术与功率控制策略初探

徐冬青

（宁夏银星能源股份有限公司，银川750021）

1 引言

相对于传统能源来说，风能的开发利用不仅成本低，而且环保安全，最重要的是风能是可再生能源。目前风能的开发利用主要是风力发电。在实际工作中，风力发电机组对风力的利用率是比较低的，因此专家对风力利用率的提高技术研究一直没有间断。

2 风力发电技术概述

2.1 风力发电技术原理

风力发电技术指的是将风能通过风力发电机转化为电能的技术。风力发电的过程就是把风能经由机械能转换为电能的过程，风能转化为机械能的过程由风轮实现，机械能转化为电能的过程由风力发电机及其控制系统实现。风力发电技术的基本原理是风的动能通过风轮转换为机械能，再带动发电机发电转换为电能。在这个过程中，风力发电机组大多为水平轴式风力发电机，它由多个部件组成，包括叶片、轮毂、增速齿轮箱、发电机、主轴、偏航装置、控制系统、塔架等。

2.2 风力发电的特点

风能发电在近10年来已取得飞速发展，目前，全球风电装机容量已近4 270亿MW。风力发电技术能够得到大量的推广与它的特点是分不开的。风能属于可再生能源，风力发电有充足的能源支持；风力发电技术建设周期短以及装机规模灵活，在风能充足的地方可以用最短的时间建立风力发电基础设施，可以用最快的速度将风能转化为需要的电能；可靠性高和成本低使得风力发电的推广使用迅速提高；风力发电在操作运行方面也是比较简单的，而且风力发电建设占地面积小。风力发电的特点总结下来就是能源充足，操作简单，成本低无污染。

3 风力发电技术的发展趋势

随着风力发电技术的推广和使用，在不断的实践操作中，得到了越来越多的改善。将原有的风力发电单机容量小做了调整，增大了单机容量，同时也为了不占用更多的陆地资源，将风力发电陆地风转变为海上风，恒速发电机组向变速发电机组发展，有齿轮箱向直驱永磁式发展，小叶片低塔筒向长叶片高塔筒发展。

3.1 单机小容量向大容量的发展

目前，风力发电机组单机容量虽然已经得到了较大改善，增大了单机容量，但在实际应用中仍然存在很大的不足，必须有新的突破才能适应日益增长的电力需求。先进国家的风力发电机组单机容量已经朝着40MW的方向发展，因此应该加快研究力度，风力发电机转变为风力发电站，风能的利用率将大大提高[1]。

3.2 风力发电由陆地风电向海上风电的发展

目前，陆地上的风力发电已经得到了广泛使用，但相对来说陆地上风能充足的地方较少，因此风力发电风能开始由陆地风能向海上风能发展，海上风电场规划规模不断扩大。将风力发电场地建设在海边不仅可以缓解陆地占用土地资源的问题，而且海上的风能更充足，可以进行大规模、大批量的生产，在成本上也会降低很多。我国将在沿海地区建设大量的风力发电场地，到2020年底，全国规划建设总容量达3000万kW的海上风电场。

3.3 风力发电变速恒频向变速恒频直驱永磁同步发电机方向发展

目前风力发电的主流是变速恒频风力发电机，在可靠性和变流技术上，变速恒频直驱永磁同步发电机系统具有更大的优势。直驱永磁同步发电机系统的使用，提高了系统的可靠性，全功率变流技术能够很好地满足低压穿越要求。

3.4 风力发电有齿轮箱向无齿轮箱发展

在风力发电中有齿轮箱对风力发电工作要求高，加工难度大，而且设备较为沉重。因此直驱式风电技术得到迅速发展，无齿轮箱的直驱方式能有效地减少由于齿轮箱问题而造成的机组故障，减少风电场维护成本，而且可靠性和效率都有较大提高。目前国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机的工作原理采用的是低速多极永磁发电机，这将会在未来受到广泛推广和使用。同时随着直驱永磁式风电机组的不断增多，全功率变流技术得到了广泛发展和应用，使风轮和发电机的调速范围扩展到0至150%的额定转速，全功率变流技术能够很好地满足低压穿越要求，可提高机组的风能利用范围。

3.5 小叶片低塔筒向长叶片高塔筒的发展

风电叶片是风电机组中有效捕获风能的关键部件，叶片长度随风电机组单机容量的提高而不断增长。根据顶旋理论，为获得更大的发电能力，风力发电机需安装更大的叶片，更高的塔筒。针对我国大多数地区处于低风速区的实际情况，国内风力发电机通过技术创新，风轮叶片更长、塔架更高，捕获的风能资源更多，目前10 MW海上风力发电机的叶轮直径已达190 m，陆地普遍应用的2.5MW风机的叶轮直径可达120m，塔筒高度达到100m，在低风速区域有更好的风能利用效率。

4 风力发电功率控制策略

4.1 风力发电机变桨距控制

在风力发电中风力发电机组在安装结构上根据风轮叶片和轮毂可以分为定桨距风力发电机和变桨距风力发电机两种。定桨距风力发电机是将叶片固定安装在轮毂上，在工作过程中，桨叶是不会发生角度变化的。变桨距风力发电机在实际工作中必须解决风速变化时桨叶自动调节功率和风力发电机的制动功能。具体表现在：①变桨距风力发电机在叶片和轮毂之间采用非刚性联结方式，这样叶片就可以在工作中通过节距的调整，根据风速调整叶片和轮毂之间的角度。在实际工作中，无论风速怎么变化，叶片与轮毂始终保持在最佳的角度，在风力发电中可以提高输出功率；②在风力过大超出风力发电机的切出风速时，就会自动停止工作，桨叶可以在风力机停止工作时保护风力机不会受到损害[3]。

4.2 风力发电机偏航控制

在风力发电机组控制系统中风力机偏航控制是非常重要的组成部分。偏航控制系统在工作中与风力发电机组相互协调，可以保持风轮一直处在迎风状态，这样可以很大程度上提高风力发电机组的发电效率，同时也可以保障风力发电机组的运行安全。风力发电机偏航系统分为主动迎风偏航系统和被动迎风偏航系统。风力发电机偏航控制系统在工作中主要是在风力发生改变时，可以更好地调整风力发电机，让风力发电机始终处在风向的正前方，这样可以最大限度地捕获风能，对风力发电机的功率输出有很大提升[2]。

4.3 风力发电机控制

在风力发电技术功率控制中，可以通过风力发电机来控制功率输出。风力发电机大多采用双馈异步风力发电机。双馈异步发电机的最大好处就是可以根据风速变化进行适当调整，这样可以保证风力发电机的运行始终是最佳状态，对风能利用率的提高有很大帮助。同时，在双馈异步风力发电机运行过程中，通过控制馈入的电流参数，在保持定子输出的电压和频率不变的基础上，调节电网的功率因数，保障风力发电机的系统稳定。

5 结语

通过对风力发电技术的分析，在实际工作中，为了更大限度提高风力发电机的输出功率，对风力发电机进行了深入研究，同时对功率控制有了较大进步。通过风力发电机变桨距控制、偏航系统控制以及风力发电机控制，在很大程度上提高了风力发电机的输出功率。