风力发电及其控制技术初探

郭龙

摘 要：随着我国新能源技术的不断发展，我国风力发电产业已经进入到了快速发展时期，为最大限度的提高风力发电效能，就要对其控制技术进行应用。本文主要分析了鼠笼异步发电系统、无刷双馈发电系统、双馈发电系统的原理、性能特点，探后结合其控制方法的优缺点，对风力发电技术未来发展进行了探讨，旨在为我国风力发电技术发展尽一份绵薄之力。

关键词：风力发电技术；控制技术；发展

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.166

风能发电技术是一种环保、无污染的新能源开发技术，利用风力取之不竭、用之不尽的特点，来应对当前日趋枯竭的能源环境。自上世纪七十年代以来，世界上的国家就逐步开始对风力发电技术进行研究，上世纪末，风力发电技术的发展速度令人侧目，世界上风力发电装机容量逐年上升。结合风力发电过程以及发电机控制技术，风力发电系统主要分为变速恒频发电系统和恒速恒频发电系统，而风力发电机的主要运作方式则分为常规电网电源和独立电源两种供电形式。不同的技术所带来的效果各不相同，本文就此进行了相应的论述。

1 鼠笼异步发电系统

鼠笼异步发电机和平时用的三相鼠笼电动机相同，因其自身无法产生磁场（并网前），所以必须在并网后通过吸收电网无功来产生磁场，当电动机的转速超过同步转速时候，由于转子铁芯的磁场（转子铁芯在定子磁场下感应的涡流形成的磁场）转速略高于定子磁场转速，即转子磁场带动定子磁场旋转，电机即由电动机变为发电机运行（系统结构见图1）[1]。

图中功率变换器为并网双向晶闸起动装置，P→指功率工作方向。该系统的控制策略由定子侧来实现，变频器的容量和发电机容量之比大于100%，导致该系统的运作成本较高，且体积重量也比较大，因为变频器和电网直接相接，所以会不可避免的出现一定谐波污染（导致输电线路、变压器和电机损耗增加）。但是该系统有着坚固耐用、运行可靠的优点，并且出现故障也易于维修，所以其应用程度较为广泛，在风力发电系统中，多用于100千瓦以下的离网型系统中[2]。

2 变速恒频发电系统

简单来说，该系统的控制方式就是风力机采取变速运行的模式，发电机的转速随风速变化而变化，但可以通过电力电子变换装置得到恒频电能。根据贝兹理论，理想情况下风能所能转换成动能的极限比值为16/27约为59%[3]。

恒速恒频发电系统的所采用的风力发电机只能固定在某一转速上，但是风能具有一定的随机性，其能效会受周围环境的影响而变化，所以风力机必定会偏离最佳速度，这就必然会在一定程度上降低发电效率，而变速恒频发电系统就能夠在风速变化的条件下，来适当调节转速，从而让其一直保持着在理想的转速下运行，确保发电效率。变速恒频发电系统是目前主流的风力发电机组控制系统，对于风力发电系统而语言，风力发电机组应该尽可能的确保能量转换效率，而变速恒频发电系统主要通过控制电机转矩，来实现高效率的能源转换。

3 双馈发电变速恒频系统

双馈发电变速恒频系统是使用双馈绕线式发电机的风力发电机组，所谓双馈，指的是双端口馈电，定子和转子可同时发电，互相切割磁感线。通常来说，双馈电机必须配合变频器使用，变频器给双馈电机转子施加转差频率电流，起到励磁的作用，有效调节励磁电流的相位、频率、幅值，实现稳定的定子恒频输出。在风力发电系统中，无论风力作出什么样的变化，当电机转速改变的时候，利用变频器就可调整旋转速度，从而让电机的转速和风速之中保持同步（转子励磁电流改变转子磁势）。该系统主要是依靠转子侧来实现的，通过转子电路的功率由交流励磁发电机转速运行来决定，所以该系统的成本较低，设计较为简便，且后期的维护也十分便捷。另外，该系统还能吸收更多无功功率，可有效解决电压升高的弊端，从而有效提升电网运作效率，保障电能换换质量以及稳定性。

4 无刷双馈发电系统

无刷双馈发电系统是目前风力发电中的新型控制系统，其运作原理和传统交流电机差别较大，无刷双馈发电系统中的电子定子，具有两套不同极数的三组绕组，可分别称为控制绕组和功率绕组，通过电机转子的磁动势来实现能量转换，如果改变相应的频率以及相位，就可改变电机的运行方式。无刷双馈发电系统和普通系统的主要区别在于，电机定子上有一套控制绕组，可通过调节绕组上的电流频率来改变转速，不过该技术的制造成本较高，并且无刷双馈发电系统的体积较大。

5 技术发展和展望

为提高风力发电技术的实际应用价值，降低谐波电流污染，实现更为稳定可靠的运行，促使风力发电向智能化、微风化、直驱化发展。首先，要实现风力发电规模化、大型化，尽可能减少风力发电占地；其次，要采用变速恒频技术，尽可能的缩小大型风力发电机体积，降低生产成本；最后，要实现智能化控制，利用模糊计算以及神经网络技术，来克服风力发电时的非线性因素，进一步提高风力发电的稳定性以及安全性。

6 结束语

综上所述，我国风力发电技术水平在不断提高，但是仍旧有许多问题亟待解决，所以要正视目前风力发电技术存在的问题，积极争取社会各方的支持，在原有的基础上不断突破创新，投入一定的资金，不断完善相关政策，从而实现风力发电技术的良性发展，让风力发电技术真正成为我国电力供应的主流技术。

参考文献：

[1]赵若焱.风力发电及其控制技术新进展探究[J].内燃机与配件，

2018（13）.

[2]王刚，田野.风力发电机桨叶柔性控制技术的研究及机组优化[J].通信电源技术，2017.

[3]李志伟，徐成鑫.关于风力发电电气控制技术发展研究[J].中国科技纵横，2017（01）.