风力发电及其控制技术新进展探究

叶炜

东方电气风电有限公司 四川德阳 618000

1 风力发电技术的现状

近些年，随着科技的不断进步，风力发电技术的应用越来越广泛。风力发电应用原理：通过风能设备，将由温差引起的空气流动转变为电能。具体来讲，就是利用风能驱动风车叶片转动，而叶片转轴与齿轮箱连接，促进转速提升，将动能转化为机械能，带动发电机发电。风力发电具有如下特征：风力发电技术的装机规模逐年加大，风力发电应用比重呈逐年增加趋势；风力发电机的功率不断增加；海上风力发电产业逐渐商业化。由于海上风力发电干扰因素少，风速较高且稳定，发电量相当可观。可用发电机组有效进行风力发电；风力发电前期投入高，但运营费用较低。纵观全球，风电机组市场发展速度较快，风力发电已经在发电产业中占有不容忽视的地位。目前，市面上的风电机组的设计技术存在较大差异，其中突出的差别主要体现在发电系统与风电机组的结合方式上。通过风速提高电机转速，促进风能利用率最大化，保证有功功率与无功功率均处于可控状态。

2 风力发电控制技术

2.1 风轮控制技术

（1）叶尖速比控制。因为受到风力的作用，风轮的风叶尖端转动线速度也被称为叶尖速。叶尖速比主要是指叶尖速度和这个时期的风速比值。叶尖速比控制方法主要是采取有效的方法进行比值控制，将其进行系统的优化。根据风速的不同，在这个基础上进行叶尖速比比较，因为不能够进行自然风速的调控，对此为了能够更好的进行各个功能优化，需要在实际应用中合理的进行调整和改变叶尖速，主要是风轮转矩的调整，从而能够更好的控制整个速度，更好的进行叶尖速比的控制。

（2）功率信号反馈控制。该方法对风力发电机组的功率信号进行控制。在风力发电机组运行过程中，其功率随工况的变化而变化，这是功率信号反馈控制方法的基础。通过对功率关系的分析，得出最大功率曲线，并进行跟踪操作。在实际过程中，对系统的最大功率和实际输出功率进行了分析比较，得出两者之间的差异，并对转子力矩进行相应的调整，以保证风机的最大运行功率。该方法可以有效地降低控制成本，但值得注意的是，最大功率曲线的获取是风机日常运行中的一项技术难题，对此在应用中需要重点进行控制。[2]

2.2 电力电子变换器控制技术

在风力发电系统中，其电力电子变换器必须具有以下特点：它具有广泛的应用范围，能有效地应用于大型风力发电系统；在风能的转换中，它具有较高的能量转换率，经过转换后，它也具有较高的传输效率，能起到一定的作用。对无功功率条件进行了分析，实现了功率因数的提高。具有较高的可靠性和安全性。同时具有功率范围大、设备成本低、经济合理等特点。在风力发电系统中采用PWM整流器可以有效地控制系统的最大功率，在整流器的使用中，通过矢量控制可以实现有功功率与无功功率的解耦，保证无功功率满足运行要求。此外，该脉宽调制整流器还可以保证有功功率的最大输出。通过设置直流环节，可以有效地调节风电系统的无功功率和有功功率。[2]

2.3 风力发电运用变速风力发电技术

变速风力发电技术使风力发电要在运行过程中，打破了以往的恒速运动技术，风力发电机运行时能够判断风速大小，从而调整合理地运行状态，使发电机的频率达到恒定。变速风力发电技术运行状态随着风速不同而发生变化，遇到风速较大时，发电机会及时调整风轮转速，防止发电机由于功率偏大对发电质量以及发生效率造成影响；在遭遇较小风速时，发电机也会及时调整转速，获得相应的风能，使功率保持稳定地输出。变速风力发电技术之所以能得到广泛运用，是由于其能够调整风轮转速，解决我国有些地区因为风速的不同变化规律，传统的恒速发电技术不能满足风力发电需求的问题。

2.4 风力机的桨距控制

根据风轮叶片和轮毂安装的不同，风力发电机组可以分为定桨距与变桨距两类。其中，定桨距风力发电机将叶片固定于轮毂，即使风速改变，也不会改变桨叶安装角度。但定桨距风力发电机有两个问题亟需解决：第一，风速在而定风速以上时，桨叶具有自动调节功率的能力，导致功率接近发电机额定值。第二，风力发电机组在运行过程中，需要配备制动机构以满足紧急停车需求。20世纪80年代，定桨距风力发电机配置叶尖扰流器，实现功率调节以及气动制动等功能。同时，因结构简单、性能稳定等特点优势，定桨距发电机组广受发电企业青睐，其应用范围不断拓展。[1]

3 风力发电的展望

3.1 市场的发展趋势

我国对新能源的支持力度一直都很大，早期对风电产业也进行了一定的补贴，当前我国的风电产业发展依然是十分活跃的。由于我国的幅员辽阔，风能资源很高，因此风能发展仍然有着很大的潜能。随着装机容量的增加、小型风场建设以及低速风源、海上风能发电水平的提升，我国的风能发电仍然会有较快的发展速度。

3.2 风能行业和技术的发展趋势

国内风电设备制造已经具有了较高的规模，行业内竞争正在变得激烈。不同企业都采取降低了造价并进行着技术研发，在提高风力发电水平的同时，也降低了风力发电的造价，缩小了风力发电和火力发电的价格差。我国风电设备研发主要围绕着大容量、低风速和高效率这几方面进行，尤其在材料和基础元器件上，会在将来有很大突破。

总之，风电具有很多优势，不仅能够再生，同时能量大，没有污染，并且我国风能储备量也非常大，分布非常广泛，因此具有很好的开发潜力，在未来发展过程中是主要的发展趋势，对此进一步加强风力发电以及控制技术的研究非常重要，需要引起我们的高度重视。