風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)新進(jìn)展探究

葉煒

東方電氣風(fēng)電有限公司 四川德陽 618000

1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀

近些年，隨著科技的不斷進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用原理：通過風(fēng)能設(shè)備，將由溫差引起的空氣流動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。具體來講，就是利用風(fēng)能驅(qū)動風(fēng)車葉片轉(zhuǎn)動，而葉片轉(zhuǎn)軸與齒輪箱連接，促進(jìn)轉(zhuǎn)速提升，將動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電具有如下特征：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的裝機(jī)規(guī)模逐年加大，風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用比重呈逐年增加趨勢；風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率不斷增加；海上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)逐漸商業(yè)化。由于海上風(fēng)力發(fā)電干擾因素少，風(fēng)速較高且穩(wěn)定，發(fā)電量相當(dāng)可觀?？捎冒l(fā)電機(jī)組有效進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)力發(fā)電前期投入高，但運(yùn)營費(fèi)用較低。縱觀全球，風(fēng)電機(jī)組市場發(fā)展速度較快，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)在發(fā)電產(chǎn)業(yè)中占有不容忽視的地位。目前，市面上的風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)技術(shù)存在較大差異，其中突出的差別主要體現(xiàn)在發(fā)電系統(tǒng)與風(fēng)電機(jī)組的結(jié)合方式上。通過風(fēng)速提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，促進(jìn)風(fēng)能利用率最大化，保證有功功率與無功功率均處于可控狀態(tài)。

2 風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)

2.1 風(fēng)輪控制技術(shù)

（1）葉尖速比控制。因?yàn)槭艿斤L(fēng)力的作用，風(fēng)輪的風(fēng)葉尖端轉(zhuǎn)動線速度也被稱為葉尖速。葉尖速比主要是指葉尖速度和這個(gè)時(shí)期的風(fēng)速比值。葉尖速比控制方法主要是采取有效的方法進(jìn)行比值控制，將其進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化。根據(jù)風(fēng)速的不同，在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行葉尖速比比較，因?yàn)椴荒軌蜻M(jìn)行自然風(fēng)速的調(diào)控，對此為了能夠更好的進(jìn)行各個(gè)功能優(yōu)化，需要在實(shí)際應(yīng)用中合理的進(jìn)行調(diào)整和改變?nèi)~尖速，主要是風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩的調(diào)整，從而能夠更好的控制整個(gè)速度，更好的進(jìn)行葉尖速比的控制。

（2）功率信號反饋控制。該方法對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率信號進(jìn)行控制。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中，其功率隨工況的變化而變化，這是功率信號反饋控制方法的基礎(chǔ)。通過對功率關(guān)系的分析，得出最大功率曲線，并進(jìn)行跟蹤操作。在實(shí)際過程中，對系統(tǒng)的最大功率和實(shí)際輸出功率進(jìn)行了分析比較，得出兩者之間的差異，并對轉(zhuǎn)子力矩進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保證風(fēng)機(jī)的最大運(yùn)行功率。該方法可以有效地降低控制成本，但值得注意的是，最大功率曲線的獲取是風(fēng)機(jī)日常運(yùn)行中的一項(xiàng)技術(shù)難題，對此在應(yīng)用中需要重點(diǎn)進(jìn)行控制。[2]

2.2 電力電子變換器控制技術(shù)

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，其電力電子變換器必須具有以下特點(diǎn)：它具有廣泛的應(yīng)用范圍，能有效地應(yīng)用于大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；在風(fēng)能的轉(zhuǎn)換中，它具有較高的能量轉(zhuǎn)換率，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，它也具有較高的傳輸效率，能起到一定的作用。對無功功率條件進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)的提高。具有較高的可靠性和安全性。同時(shí)具有功率范圍大、設(shè)備成本低、經(jīng)濟(jì)合理等特點(diǎn)。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用PWM整流器可以有效地控制系統(tǒng)的最大功率，在整流器的使用中，通過矢量控制可以實(shí)現(xiàn)有功功率與無功功率的解耦，保證無功功率滿足運(yùn)行要求。此外，該脈寬調(diào)制整流器還可以保證有功功率的最大輸出。通過設(shè)置直流環(huán)節(jié)，可以有效地調(diào)節(jié)風(fēng)電系統(tǒng)的無功功率和有功功率。[2]

2.3 風(fēng)力發(fā)電運(yùn)用變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)使風(fēng)力發(fā)電要在運(yùn)行過程中，打破了以往的恒速運(yùn)動技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)能夠判斷風(fēng)速大小，從而調(diào)整合理地運(yùn)行狀態(tài)，使發(fā)電機(jī)的頻率達(dá)到恒定。變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)運(yùn)行狀態(tài)隨著風(fēng)速不同而發(fā)生變化，遇到風(fēng)速較大時(shí)，發(fā)電機(jī)會及時(shí)調(diào)整風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，防止發(fā)電機(jī)由于功率偏大對發(fā)電質(zhì)量以及發(fā)生效率造成影響；在遭遇較小風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)也會及時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速，獲得相應(yīng)的風(fēng)能，使功率保持穩(wěn)定地輸出。變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)之所以能得到廣泛運(yùn)用，是由于其能夠調(diào)整風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，解決我國有些地區(qū)因?yàn)轱L(fēng)速的不同變化規(guī)律，傳統(tǒng)的恒速發(fā)電技術(shù)不能滿足風(fēng)力發(fā)電需求的問題。

2.4 風(fēng)力機(jī)的槳距控制

根據(jù)風(fēng)輪葉片和輪轂安裝的不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以分為定槳距與變槳距兩類。其中，定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)將葉片固定于輪轂，即使風(fēng)速改變，也不會改變槳葉安裝角度。但定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)有兩個(gè)問題亟需解決：第一，風(fēng)速在而定風(fēng)速以上時(shí)，槳葉具有自動調(diào)節(jié)功率的能力，導(dǎo)致功率接近發(fā)電機(jī)額定值。第二，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，需要配備制動機(jī)構(gòu)以滿足緊急停車需求。20世紀(jì)80年代，定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)配置葉尖擾流器，實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)以及氣動制動等功能。同時(shí)，因結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)優(yōu)勢，定槳距發(fā)電機(jī)組廣受發(fā)電企業(yè)青睞，其應(yīng)用范圍不斷拓展。[1]

3 風(fēng)力發(fā)電的展望

3.1 市場的發(fā)展趨勢

我國對新能源的支持力度一直都很大，早期對風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也進(jìn)行了一定的補(bǔ)貼，當(dāng)前我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展依然是十分活躍的。由于我國的幅員遼闊，風(fēng)能資源很高，因此風(fēng)能發(fā)展仍然有著很大的潛能。隨著裝機(jī)容量的增加、小型風(fēng)場建設(shè)以及低速風(fēng)源、海上風(fēng)能發(fā)電水平的提升，我國的風(fēng)能發(fā)電仍然會有較快的發(fā)展速度。

3.2 風(fēng)能行業(yè)和技術(shù)的發(fā)展趨勢

國內(nèi)風(fēng)電設(shè)備制造已經(jīng)具有了較高的規(guī)模，行業(yè)內(nèi)競爭正在變得激烈。不同企業(yè)都采取降低了造價(jià)并進(jìn)行著技術(shù)研發(fā)，在提高風(fēng)力發(fā)電水平的同時(shí)，也降低了風(fēng)力發(fā)電的造價(jià)，縮小了風(fēng)力發(fā)電和火力發(fā)電的價(jià)格差。我國風(fēng)電設(shè)備研發(fā)主要圍繞著大容量、低風(fēng)速和高效率這幾方面進(jìn)行，尤其在材料和基礎(chǔ)元器件上，會在將來有很大突破。

總之，風(fēng)電具有很多優(yōu)勢，不僅能夠再生，同時(shí)能量大，沒有污染，并且我國風(fēng)能儲備量也非常大，分布非常廣泛，因此具有很好的開發(fā)潛力，在未來發(fā)展過程中是主要的發(fā)展趨勢，對此進(jìn)一步加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電以及控制技術(shù)的研究非常重要，需要引起我們的高度重視。