风力发电及其控制技术研究

王以笑 崔丽艳

摘要：当今时代，人类发展对能源的需求日益增大，能源是促进社会发展的必备条件。随着化石能源的需求量越来越大，化石能源的日益枯竭和带来的日益加重的环境污染问题，开发无污染可再生的新能源迫在眉睫，其应用前景也非常广阔。风能作为一种常用的绿色能源，其分布广泛，資源丰富，开发和利用的技术相对简单，可控性好，因此越来越受到各国的重视。本文就风力发电技术的工作原理进行了探讨，并对风力发电系统控制技术的实际应用进行分析。

关键词：风力发电系统;控制技术;应用

引言

风能作为我国的清洁能源之一，将其应用于发电技术中，遵循了我国绿色可持续发展理念，风力发电技术也成了我国最为常见的发电技术之一。由于我国的风力发电系统控制技术还存在着一定的缺陷，导致我国风力发电机组的发电效率较低，制约了我国风力发电技术的进一步发展。所以，为了提高我国的风力发电技术，必须要加强对风力发电系统控制技术的研究。

1风力发电系统的工作原理

风力发电的原理是把风能转化为机械能，再将机械能转化为电能进行输出。具体过程是通过风带动风机叶片转动，从而使发电机内部线圈旋转切割磁场，最终产生感应电流，经箱变或升压站升压后送入电网。通常风力发电机由风轮叶片、低速轴、高速轴、风速仪、塔架、发电机、液压系统、电子控制系统等部件组成。其中，风轮是将风能转化为机械能的装置，根据发电机转速的大小调节叶片的桨矩角，可以最大限度地利用风能。塔架是连接支撑风轮和发电机的支架，其高度是由风轮直径大小和项目所在地风况参数决定的，以确保风电机组的正常运行并获得较高的发电量。发电机是将风轮产生的机械能转化为电能的装置。在风机构造中，定义风轮叶片尖端线速度与风速之比为叶尖速比，是风机的重要参量，其大小是影响风机功率系数的重要参数。通过设计叶片的不同翼型，可以改变叶尖速比。风机组的功率调节是风力发电系统的关键技术手段，其主要方式包括定桨距失速调节、变桨距失速调节和主动失速调节三种。定桨距失速调节将风机叶片和轮毂固定，叶片顶角不能随风速进行调整，其结构相对简单，可靠性强，风机输出功率随风速而变化，因此在低风速下其利用率较低。变桨距调节是通过改变桨距角调整风能的转化效率，尽可能的提高风能转化效率，使风机输出功率保持平稳。主动失速调节是通过叶片主动失速来调节输出功率。当风速低于额定风速时，通过控制系统进行调控;当风速超过额定风速时，变桨系统通过增加叶片攻角使叶片失速，从而限制风轮的吸收功率。

2风力发电及其控制技术的研究

2.1风力发电和电力电子变换器的控制技术

2.1.1电力电子变换器的控制技术

从整个风力发电系统中可以发现，存在着电力电子变换器，并且电力电子变换器的特征表现在多方面：使用面较为广泛，可以有效地用于大型风力发电系统中;风能转换过程中能量的转换率较高，完成转换后具备很高的传输效率;还可以完善无功功率因素;其使用的安全性和可靠性很高。电力电子变换器的运行功率高且功率范围也很大;该设备无须花费很多成本。通过运用pwm整流器于风电系统中，能够最好地控制系统的最大功率。而运用整流器的时候，通过矢量的控制方法可以解除有功功率和无功功率之间的障碍，保证无功功率符合运行的相关要求。另外，pwm整流器还可以使有功功率的输出量最大化，设置好直流环节并调整风电系统中无功和有功功率。

2.2.2风力发电的控制技术

风力发电需要借助风力进行，这是因为风力与地面距离相差加大，这样一来，能量转化工作在空中就能完成。发电机和相关设备都需要努力提升工作效率，并且减轻物体的体重。永磁发电机的优势在于运行效率高且损耗较小，所以被普遍运用于风力发电系统中。发电机制造还可以通过模块化方式开展，这样能减少所需花费的成本，对风力发电系统的发电机进行管控的过程中，一般都会采用矢量的控制方法，这类方法有效地解除了交轴电流与直轴电流之间的矛盾，也就使系统功率的因数控制简单化。

2.2风轮的控制技术

2.2.1利用功率信号的反馈

利用功率信号的反馈进一步管控好风轮的功率信号，当风轮运行时，它们的功率与实际条件的改变是一致的，然后再对功率的关系作出分析，之后绘制出最大功率的曲线图，完成以上工作后接着做后面的工作。在实际操作时，还应该对比最大功率与系统中的实际输出功率，获取它们的差值大小，之后再进行风轮桨矩的调整工作，这样才有助于风轮的运行功率最大化。这种方式使成本无须花费过多，但是风机在正常运行时要获得最大功率曲线较为困难。

2.2.2管控好叶尖速比

受到风力作用的影响，风轮中风叶尖端转动时具有线速度，并且将其称为叶尖速。其中叶尖速比表示为叶尖速与这个时间之内的风速形成的比值。对叶尖速比进行控制的主要方法是控制叶尖速比值，从而进一步改善风机的运行系统。因为风速不相一致，所以很难有效地确定出最合适的叶尖速比，应该适当地改变和调节叶尖速，并调节好风轮转矩，这样才能更好地调整风轮外边缘的速度，使叶尖速比得到优化处理。

2.3风力发电中无功功率补偿技术与谐波消除技术

2.3.1无功功率补偿的技术

在感性元件的影响下，发电系统中一些无功功率呈现出消耗的状态，电压经过感性元件的时候，因为只是无功功率的消耗使得感性元件两边无电压变化，但是当电压较高时，经过感性元件的电流较大会给元件带来间接破坏。这时候，就要结合实际情况采取无功功率补偿技术，并且压抑住谐波作用。虽然无功功率补偿的应用很广，但还是存在一些不足。

2.3.2谐波消除的技术

风机发电的时候，由于存在谐波就是整个电能的质量不高，也给电的电压及频率造成不良影响，使无功功率与有功功率间缺乏平衡，所以一定要把存在的谐波消除掉。具体开展过程中，因为谐波会影响风能的发电，首先，它会造成发电机的铁损和铜损，在发电机内产生超同步谐振的现象;电力设备在运行时，谐波会造成设备出现热故障，影响系统的正常运行等。而消除谐波可以从以下几个方面入手：第一，使用电力变流器和一些电力设备让相应的相位与谐波进行抵消;第二，适当调整电容器组，进而改变无功功率，从而减少谐波对无功功率的影响;第三，运用三角形的连接方式，这样能减少谐波的进入量。

3加强风力发电控制的举措

首先，需要加大研发和管理力度，促进风电产业结构调整，不能过分依赖产品和技术进口，要建立完善的人才培养机制，积极创新，研发出具有自主知识产权的风电技术。其次，由于我国风力资源分布不平衡，需要进一步研发远距离传输的电力设备，让不同地区的风电资源得到共享。同时要进一步普及风电给社会经济和环境保护带来的益处，让更多的人接受风电新能源。最后，安全是风力发电技术最重要的环节，也是保障居民人身安全的重要因素。因此必须加大风电技术的安全管理，杜绝一切可能发生的安全隐患，在人因稀少的偏远地区增加监控力度，密切关注风电设备的各项运行指标，一旦发现异常，要及时处理。

结束语

随着我国社会经济的持续发展以及国民生活水平的进一步提高以及人们环境意识和清洁能源意识的增强，各地开始了对清洁能源的研发，并建立起大型的风能发电站，风力发电系统在我国得到了广泛应用。风力发电技术涉及多种力学技术以及空气动力学、材料学和机械学。有关管控风力发电的技术在当下风电行业中有着较大的研究价值。风力发电系统需要科学合理地管控好风轮，并且进一步调整风能的大小，对变换器和发电机的控制能够促进发电质量和效率的提升。

参考文献：

[1]喻挺.风力发电及其控制技术新进展探究[J].智能城市，2018，4（18）：166-167.

（作者单位：许继集团有限公司）