电气控制技术在风力发电系统中的应用

伍卫华 高飞 巴恩 吴晓演

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-1862

作者简介：

伍卫华（1969—）男，本科， 正高级工程师，研究方向为电力工程技术。

高飞（1979—）男，本科，正高级工程师，研究方向为电力工程技术。

巴恩（1994—）男，本科，工程师，研究方向为电力设备运行与检修技术。

摘要：风能作为一种取之不尽、用之不竭的自然资源，逐渐成为了人类利用能源的重要选择。但风速、风向等因素的变化会对风力发电系统的发电效率和稳定性产生影响。如何提高风力发电系统的效率和稳定性，是风能利用面临的重要挑战。而电气控制技术可以通过对设备的精确控制和实时监测，实现对风力发电设备的有效监测和控制，保证发电的稳定和连续性。本文将深入探讨电气控制技术在风力发电系统控制中的应用及其重要性。

关键词：电气控制技术   风力发电系统   风能预测优化   电网控制

中图分类号：TM76

电气控制技术在风力发电系统控制中的应用对于提升风力发电的稳定安全性、实现风力资源的最大程度利用，以及降低外部因素对发电的影响等有重要作用。对电气控制技术在风力发电系统控制中的应用进行研究，旨在提高风力发电系统的效率和稳定性，推动风能利用的可持续发展。

1电气控制技术在风力发电系统控制中的应用

电气控制技术是研究如何通过电气设备和电路来控制和调节电气设备的运行状态和参数，以实现自动化生产、提高生产效率、保障生产安全的一门技术。电气控制技术涉及到多个领域的知识，如电子技术、电力电子技术、计算机技术、通信技术等。

在风力发电系统中，电气控制技术发挥着重要的作用。

1.1提升风力发电的稳定性和安全性

风力发电的有关设施设备主要处在暴露环境中，自然环境的温度、气压、湿度以及地势等因素会对其产生较大的影响，使得有关设备的运行也存在一定的随机性和不确定性，对电能质量和发电效率会产生阻碍。要想保证发电稳定连续，就要开展有效的监测控制，这就需要电气控制技术的大力支持[1]。

1.2实现风力资源的最大程度利用

风力资源如果想要得到最大程度的利用，就需要相应的控制技术保证设备运行的连续性。借助电气控制技术，可以实现对风速的准确测量和控制，从而优化风力发电机的运行状态，提高发电效率。

1.3提升风力发电系统与电网之间的衔接效率

风力发电系统与电网之间进行衔接时，有关设备的运行效率大大提升，发电机组可以稳定安全地运行。电气控制技术可以实现对风力发电机组的精确控制，确保其与电网的稳定连接，提高电力系统的稳定性和可靠性。

2电气控制技术在风力发电系统控制中的应用

2.1风力发电机组的控制

2.1.1启动与停止控制

通过电气控制技术，可以实现对风力发电机组的启动和停止。当风速达到一定水平时，控制系统会根据风速传感器的信号，启动发电机组并开始发电。这样可以充分利用风能资源，提高发电效率。当风速过低或过高时，控制系统会停止发电机组，避免设备损坏。这是因为风速过低或过高可能会对发电机组造成损害，如叶片损坏、电机过载等。通过电气控制技术，可以实时监测风速，并根据需要调整发电机组的运行状态，确保设备的正常运行和安全性。此外，电气控制技术还可以实现对发电机组的功率控制和保护控制。例如：当风速突然增加时，控制系统可以迅速降低发电机组的功率输出，避免设备过载。同时，控制系统还可以对发电机组的温度、压力等参数进行监测，确保设备在安全范围内运行[2]。

2.1.2功率控制

为了确保风力发电机组的稳定运行并避免过载，电气控制技术可以实时监测发电机的输出功率，并根据需要进行调整。例如：当风速突然增加时，风能会迅速增加，从而可能导致发电机组的功率输出迅速增加。如果这种增加没有得到及时的控制，可能会导致发电机组过载，进而损坏设备。此时，电气控制技术可以通过实时监测发电机的输出功率，以及相关的运行参数，如电流、电压等，来及时判断发电机组的运行状态。一旦发现功率输出过大，控制系统可以迅速采取措施，如降低发电机组的转速、调整叶片角度等，以降低功率输出，避免设备过载。此外，电气控制技术还可以根据历史数据和预测模型，对风速和功率进行预测，从而提前进行控制调整，以更好地适应风速的变化，确保风力发电机组的稳定运行。

2.1.3保护控制

电气控制技术还可以实现对风力发电机组的保护。例如：当发电机组出现故障时，如电机故障、齿轮故障等，控制系统可以迅速切断电源，以避免故障扩大。这可以保护设备免受进一步的损坏，并减少停机时间，提高设备的可用性和寿命。同时，电气控制技术可以对发电机组的温度、压力等参数进行实时监测。这些参数可以反映设备的运行状态和健康状况。当参数超出安全范围时，控制系统可以发出警报或采取相应的措施，如降低发电机组的转速、进行温度调节等，以确保设备在安全范围内运行。此外，电气控制技术还可以实现对风力发电机组的定期维护和保养[3]。通过对设备运行数据的分析和预测，可以提前发现潜在的问题并进行预防性维护，减少故障发生的概率，提高设备的可靠性和稳定性。

2.2风能预测与优化

2.2.1风速预测

为了充分利用风能资源，需要准确预测未来的风速变化。通过气象监测设备，可以实时监测风速、风向、气压等气象参数，并将这些数据输入电气控制系统的算法中。电气控制系统的算法可以对这些数据进行处理和分析，利用历史数据和预测模型，对未来一段时间内的风速进行预测。这种预测可以帮助决策者提前了解风速的变化趋势，从而调整风力发电机组的运行状态。例如：当预测未来一段时间内风速将增加时，控制系统可以提前增加发电机组的转速，以适应风速的变化。当预测未来一段时间内风速将降低时，控制系统可以提前降低发电机组的转速，以避免过载和设备损坏。通过这种预测和调整策略，电气控制技术可以实现对风能资源的优化利用。

2.2.2能量调度

在风力发电系统中，多个风力发电机组通常会并网运行，以增加发电量和提供更可靠的电力供应。然而，并网运行也带来了一些挑战，如不同机组之间的功率协调、电网稳定性的保持等。而电气控制技术可以通过能量调度功能来解决这些问题。控制系统可以实时监测电网的需求和各机组的状态，并根据这些信息进行智能决策。根据电网的需求，控制系统可以自动调整各机组的功率输出，确保电网的稳定运行[4]。例如：当电网负荷增加时，控制系统可以协调各机组增加功率输出，以满足电网的需求。当某一机组出现故障或性能下降时，控制系统可以调整其他机组的功率输出，以保持电网的稳定性和可靠性。

2.3电网接入控制

2.3.1并网控制

并网操作是风力发电机组与电网连接的关键步骤，涉及电气安全、电力质量、系统稳定性等多方面的问题。因此，在并网操作之前，需要对并网条件进行严格的监测和判断，确保发电机组满足并网要求。电气控制技术可以通过传感器、检测装置等设备，实时监测风速、转速、电压、电流等参数，以及电网的电压、频率等参数。当这些参数满足并网条件时，控制系统会根据预设的逻辑和控制策略，判断是否可以进行并网操作。在并网操作过程中，电气控制技术还可以对并网过程进行精确控制。例如，控制系统可以根据发电机组的转速和电网的电压、频率等参数，精确控制发电机组的并网速度和并网角度，确保并网操作的顺利进行。

2.3.2电压与频率控制

实时监测电网的电压和频率是电气控制技术的重要功能之一。通过传感器、检测装置等设备，控制系统可以实时获取电网的电压和频率数据。这些数据反映了电网的运行状态，对于评估电网的稳定性和安全性具有重要作用。

根据电网的电压和频率数据进行调整是电气控制技术的关键任务之一。当电网的电压或频率出现波动时，控制系统可以根据预设的逻辑和控制策略，迅速调整发电机组的功率输出，以保持电网的稳定运行。这种调整可以减少电网波动对其他用电设备的影响，确保电力供应的可靠性和稳定性。

2.4故障诊断与预测

2.4.1故障诊断

在风力发电系统中，发电机组出现故障是常见的情况。为了快速确定故障原因并进行维修，电气控制技术可以利用历史数据和专家知识库进行故障诊断。例如，电气控制技术可以收集发电机组的历史运行数据，包括电压、电流、转速、温度等参数。这些数据可以反映发电机组的运行状态和性能变化。通过对历史数据的分析，可以发现故障发生前后的参数变化，从而初步判断故障的原因和部位；电气控制技术可以利用专家知识库进行故障诊断。专家知识库是包含大量专家经验和知识的数据库，可以对各种故障情况进行分类和描述[5]。通过与专家知识库进行比对和分析，可以进一步确定故障的原因和部位，为维修人员提供准确的维修指导。

2.4.2故障预测

在风力发电系统中，设备故障是不可避免的。为了减少故障的发生和影响，电气控制技术可以对设备运行数据进行实时监测和分析。通过对历史数据和实时数据的对比，可以发现设备参数的变化趋势和异常情况。当发现潜在的故障征兆时，电气控制技术可以及时发出警报或进行干预，提醒维修人员注意并进行预防性维护。这种预防性维护可以避免故障的扩大和恶化，减少设备停机时间，提高设备的利用率和寿命。此外，通过对设备运行数据的分析，电气控制技术还可以对设备的性能进行评估和预测。通过对历史数据的趋势分析和预测模型的建立，可以预测设备未来的性能变化和潜在故障风险。这种预测功能可以为维修人员提供更准确的维修计划和指导，提前采取措施进行维护和修复，确保设备的稳定运行。

3结语

综上所述，电气控制技术在风力发电系统控制中的应用具有广泛性和重要性。从风力发电机组的并网操作到电网的稳定运行，再到故障预测和预防性维护，电气控制技术都发挥着关键作用。未来，随着智能化、自动化技术的不断发展，电气控制技术将在风力发电系统中发挥更大的作用，推动风能利用的进一步发展，为全球能源结构的转变和环保事业做出更大的贡献。

参考文献

[1] 文建行.电气控制技术在风力发电系统控制中的应用研究[J].人民珠江，2022，43（S2）： 30-34.

[2] 包磊.风力发电电气控制技术及应用研究[J].电子技术与软件工程，2020（20）：105-106.

[3] 陈泽西.基于新能源发电功率预测的储能系统优化配置研究[D].北京：华北电力大学（北京），2022.

[4] 李国全，李玲玲.基于旗鱼优化算法的电力系统动态经济调度方法研究[J].华北科技学院学报，2023，20（6）：69-75.

[5] 孟德状，杨伟东，蔡子行，等.面向增材制造的数字孪生实施方法综述[J/OL].计算机集成制造系统：1-26[2023-12-15].https：//doi.org/10.13196/j.cims.2023.046.