風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)研究

施新春

摘要：在二十一世紀(jì)的今天，新能源的開發(fā)和利用已成為生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，各種創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，有效的提高了新能源的利用率。尤其在風(fēng)力發(fā)電方面，我國已成為世界最大的風(fēng)力市場(chǎng)，為構(gòu)建能源節(jié)約型社會(huì)做出重要貢獻(xiàn)。本文圍繞控制技術(shù)展開討論，介紹幾種典型的控制技術(shù)。相信在科技的發(fā)展下，更多的技術(shù)會(huì)被運(yùn)用到發(fā)電系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；現(xiàn)狀；控制技術(shù)

引言

先如今，人們解決能源和環(huán)境問題迫在眉睫，有些資源有限，還會(huì)產(chǎn)生許多污染。所以，世界各地都在關(guān)注可再生能源，而風(fēng)電有許多優(yōu)點(diǎn)，所以，利用可再生能源已成為各國的重點(diǎn)發(fā)展方向。我國的風(fēng)能資源并不匱乏，所以開發(fā)潛力很大。我國的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)和控制技術(shù)的發(fā)展很快，因而，通過分析現(xiàn)階段我國風(fēng)力發(fā)電的情況和控制技術(shù)水平的發(fā)展情況，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供一些有價(jià)值的信息。

1我國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀

我國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展在技術(shù)方面上分為三步，一是引進(jìn)新技術(shù)，二是把技術(shù)消化吸收三是進(jìn)行自主創(chuàng)新?，F(xiàn)如今，在這方面我國以快速發(fā)展起來。例如，我國的風(fēng)力制造業(yè)不斷提升。還有隨著國內(nèi)5WM容量等級(jí)風(fēng)電產(chǎn)品的不斷改進(jìn)，我國的兆瓦級(jí)機(jī)組在風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)被大量使用。雖然我國的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造業(yè)和配置零組件的發(fā)展足以滿足所需，但是一些高級(jí)配置仍然需要從國外進(jìn)口。所以，培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力和不斷探索新技術(shù)迫在眉睫。目前，是創(chuàng)新的年代，是需要快速發(fā)展的時(shí)代，新能源就是一個(gè)活生生的例子。作為新能源的一個(gè)重要部分，風(fēng)力發(fā)電近年來的發(fā)展越來越好。全球的能源越來越少，之前的能源已經(jīng)不足人們也已經(jīng)意識(shí)到了這個(gè)問題，風(fēng)力發(fā)電無污染，施工時(shí)間比較短，投資也不多，而且需要的地區(qū)也不多，這就使得各個(gè)國家對(duì)其越來越關(guān)注。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆電器是一個(gè)非常重要的裝置，其特性的好壞決定了發(fā)電是否靈活。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們也將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)做出了很多改變，使其性能得到了很大改進(jìn)，促進(jìn)了其進(jìn)一步發(fā)展。

2風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)主要包括定槳距失速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、變槳距風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、主動(dòng)失速/混合失速發(fā)電技、變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)等。定槳距失速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)采用了軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動(dòng)力剎車技術(shù)、偏行與自動(dòng)解纜技術(shù)。變槳距風(fēng)力發(fā)電技術(shù)從空氣動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，可以通過調(diào)整槳葉節(jié)距、改變氣流對(duì)葉片攻角，從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，使輸出功率保持穩(wěn)定。主動(dòng)失速/混合失速發(fā)電技是前兩種技術(shù)的組合。低風(fēng)速時(shí)采用變槳距調(diào)節(jié)可達(dá)到更高的氣動(dòng)效率，當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率后，風(fēng)機(jī)按照變槳距調(diào)節(jié)時(shí)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)槳距相反方向改變槳距。變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是風(fēng)機(jī)葉輪跟隨風(fēng)速變化而改變其旋轉(zhuǎn)速度，保持基本恒定的最佳葉尖速比，風(fēng)能利用系數(shù)最大的運(yùn)行方式。與恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)具有低風(fēng)速時(shí)能夠根據(jù)風(fēng)速變化在運(yùn)行中保持最佳葉尖速比獲得最大風(fēng)能、高風(fēng)速時(shí)利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化儲(chǔ)存的部分能量以提高傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性和使輸出功率更加平穩(wěn)、進(jìn)行動(dòng)態(tài)功率和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)補(bǔ)償?shù)葍?yōu)越性。

3風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)的發(fā)展

風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)是綜合許多學(xué)科的一項(xiàng)工程技術(shù)，比如：電學(xué)、力學(xué)等。

3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)的發(fā)展

控制技術(shù)極其重要，它是決定發(fā)電機(jī)組可以快速運(yùn)行的關(guān)鍵，以下是幾條原因：

1）風(fēng)力機(jī)得到的風(fēng)能是不能控制的，有些隨意。因?yàn)槠綍r(shí)的風(fēng)速的方向和大小受大氣和地形的影響而變得隨機(jī)和難控制。

2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的的的風(fēng)輪有很大的慣性，因?yàn)樗娜~片直徑在一定范圍內(nèi)，更好地利用了風(fēng)能。

3）自動(dòng)控制在多方面也能更好地被利用，比如在風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)和脫網(wǎng)時(shí)。

4）風(fēng)力發(fā)電所需的風(fēng)力所在的地方都是比較偏遠(yuǎn)的，一般在海邊，工作人員想采用無人近距離的監(jiān)控的方法來控制比較隨機(jī)的風(fēng)力，這就需要風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變得更好。

有些技術(shù)在應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電的的領(lǐng)域后，其它的控制技術(shù)也在不斷的發(fā)展。并且，控制方式也不再單一，向著多方面發(fā)展。

定槳距型風(fēng)力機(jī)就是槳葉與輪轂的連接是無法改變的。當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，用失速特性，限制發(fā)電機(jī)的功率就是失速性。而失速特性是氣流的攻角達(dá)到一定時(shí)，就會(huì)有渦流。失去調(diào)節(jié)型有許多優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橥饨缫蛩馗淖冚敵龉β蕰r(shí)，利用槳葉的被動(dòng)失速調(diào)節(jié)不做任何控制，極大地簡化了系統(tǒng)。但是它的葉片很重，有些部件所受的力有些大，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率很低，也會(huì)造成重要的部件被損壞。

近年來，我國找到了一種新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，也就是變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，它的很多性質(zhì)都不受到外界影響。它同恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組比較，其優(yōu)勢(shì)是能在風(fēng)速低時(shí)跟蹤風(fēng)速變化，在使用過程中可以更好的使葉尖速比達(dá)到適中，在風(fēng)速比較快時(shí)，可以使機(jī)組正常地運(yùn)作。前者用變槳距調(diào)節(jié)和勵(lì)磁控制使得正常運(yùn)作。在風(fēng)機(jī)發(fā)電控制技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程中，輸出功率比額定功率大時(shí)，機(jī)組就會(huì)利用風(fēng)速來改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，達(dá)到最優(yōu)的葉尖速比。該機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)是使額定功率得以保證并且輸出功率趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略的發(fā)展

風(fēng)力發(fā)電需要風(fēng)能，但是風(fēng)能比較隨機(jī)它的大小和方向不可控，就會(huì)使得葉片改變方向，葉尖速比也達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)力機(jī)的效率也會(huì)降低，輸入功率也會(huì)受到影響，更嚴(yán)重的，會(huì)使得其不穩(wěn)定。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的部件有柔性，可以減小壓力，不過，會(huì)使系統(tǒng)變得復(fù)雜會(huì)使有的模塊震動(dòng)?，F(xiàn)如今，控制器有兩類，一是傳統(tǒng)控制，二是現(xiàn)代控制。前者的基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)模型，可以更好的提高風(fēng)能的利用率。但在變化過快時(shí)，就沒辦法發(fā)揮到最好。

3.3現(xiàn)代控制方法

現(xiàn)代控制方法有更多，比如魯棒控制，它可以解決多變量問題，使誤差減小，變得更準(zhǔn)確。而變結(jié)構(gòu)控制可以很快回應(yīng)，步驟簡化，能更好地實(shí)施。這就使得它普遍被使用的原因。還有模糊控制，是智能地控制，它不需要數(shù)學(xué)模型就可以排除干擾。解決了數(shù)學(xué)模型不容易得到的問題，這種控制方法也被學(xué)者注意起來。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用工程技術(shù)去模仿人的腦神經(jīng)元的特點(diǎn)和構(gòu)成的一種系統(tǒng)，人們用人腦神經(jīng)元建立各種各樣的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)，從而建立一個(gè)生物網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)的仿真版，為控制風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速較低時(shí)的距離，可以采用網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)的學(xué)習(xí)特點(diǎn)。

結(jié)語

以上是對(duì)現(xiàn)代控制技術(shù)的詳細(xì)介紹。通過對(duì)幾類典型技術(shù)的分析，可看出其在風(fēng)力發(fā)電過程中發(fā)揮的重要作用。新型技術(shù)的融入，使風(fēng)力發(fā)電擺脫人工操作的局限性，逐漸朝著自動(dòng)化方向發(fā)展。對(duì)功率、風(fēng)速等的有效控制，將發(fā)電機(jī)保持在最佳工作狀態(tài)，且大大延長槳葉、電機(jī)等裝置的使用周期。在科技的支撐下，控制技術(shù)還有很大發(fā)展空間。

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（作者單位：南京帕沃爾新能源科技有限公司）