風力發(fā)電技術與功率控制策略初探

朱濤

摘 要：在我國能源體系當中，對于可再生能源的重視程度越來越高，相比較于核能以及火力發(fā)電來講，風力發(fā)電屬于一種低成本并且廉價又無污染的發(fā)電技術，在社會清潔能源結構當中所占比重越來越大。但風力發(fā)電的實際電能轉(zhuǎn)化效率還不到60%，可以說轉(zhuǎn)化利用率極為有限。因此在本文中，作者將分析風力發(fā)電技術及其功率控制。

關鍵詞：風力發(fā)電;技術發(fā)展;功率控制

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）09-0147-02

0 前言

在新世紀發(fā)展過程中，對于不可再生能源的使用，已經(jīng)漸漸的受到了控制，因此，在能源結構中，可再生能源的發(fā)展正在增加。社會各國新能源技術開發(fā)過程中，風力發(fā)電屬于最主要的一種，尤其是隨著石油能源以及其它不可再生能源的減少，風力發(fā)電所受到的重視程度越來越高。風力發(fā)電最早在19世紀末期就出現(xiàn)了，經(jīng)過100多年的發(fā)展到現(xiàn)如今已經(jīng)漸漸成為社會能源的主要來源之一。而我國因為用電量需求增長，對于風力發(fā)電技術的重視程度以及發(fā)展水平也越來越高。因此針對于風力發(fā)電技術的研究工作在不斷開展，并且不斷進步，對功率控制問題的研究也在不斷深入，對功率控制存在問題也在不斷的進行改善。

1 風力發(fā)電技術發(fā)展趨勢

1.1 風電機組容量大型化

對風電機組來講，在發(fā)展過程中風電機組單機的容量會從小容量向大容量逐漸進行轉(zhuǎn)變，這也是風電機組單機容量的發(fā)展趨勢。現(xiàn)如今在市場中進行應用的風電機組單機容量，其容量都在一兆瓦以上，單機容量最大的已經(jīng)達到了5兆瓦。而一些實驗室產(chǎn)品的單機容量已經(jīng)達到了7兆瓦甚至是10兆瓦，在不斷發(fā)展過程中，甚至會出現(xiàn)20兆瓦，30兆瓦以及40兆瓦的巨型風力發(fā)電機。隨著發(fā)電機組容量的增加，風力發(fā)電的水平將會不斷的提升。

1.2 風力發(fā)電由陸地轉(zhuǎn)向大海

在風電技術應用的初始階段，大范圍應用區(qū)域都是在陸地上，隨著對風力渦輪機的重視程度增加，風力發(fā)電機組的數(shù)量也在不斷增長，所以這些數(shù)量激增的風電機組對于陸地資源的占用數(shù)量會大大增加，導致許多陸地資源被占用，所以將風力發(fā)電機組逐漸向海上進行轉(zhuǎn)移，是行之有效的解決措施。海上風電和地面風電的原理是相同的，風力渦輪機逐漸轉(zhuǎn)移到海上，能夠?qū)﹃懙仫L力發(fā)電機組占用大量土地資源所導致的問題進行極大程度的解決，而且在海上風力資源是陸地上的三倍，所以在廣闊的海域當中，可以很好的解決占用陸地資源的情況，解決由陸地風電公司和大型風力渦輪機設備投產(chǎn)過程中成本投入增加產(chǎn)生的問題，使得風力發(fā)電的成本大大降低。因此在各國發(fā)展過程中，對于風力發(fā)電機組海上化轉(zhuǎn)移，都制定了相應的章程以及計劃并且在逐漸進行中，發(fā)展到現(xiàn)如今，已經(jīng)取得了極大程度的進展，為全球能源緊張問題做出了巨大貢獻，對自然環(huán)境的改善也起到了輔助作用。

1.3 發(fā)電機組間距，變槳速度恒定頻率發(fā)展趨勢

在風力發(fā)電過程中，與過去的風力渦輪機的恒速運行相比，相應的風力渦輪機技術也在不斷改進。在風力發(fā)電機組當中應用變速運行技術，能夠使發(fā)電機組對于風能捕獲達到最大程度，而且當風力發(fā)電機組所在區(qū)域的風速不斷進行變化的時候，通過變速操作能夠調(diào)節(jié)風力渦輪機自身的風力渦輪機速度，從而將風機速度保持在最佳水平。而且通過變速運行，可以使風力發(fā)電機組機械的應力降低，對風能的捕獲百分比增加，同時變速發(fā)電機組在生產(chǎn)制造過程中適應性非常強，制造成本又比較低，而且效率又比較高，所以正在逐漸取代恒速風電機組。

對于風力渦輪機的槳距，在技術未得到顯著性改變之前使用的是固定槳距，現(xiàn)在變槳距經(jīng)過不斷完善，已經(jīng)逐漸取代風力渦輪機中使用的固定槳距。將風機應用于風力發(fā)電，在實際應用過程中，風力發(fā)電機的啟動性能將得到改善，風力發(fā)電機的輸出功率將變得更加穩(wěn)定。在實際運行期間，風力渦輪機的結構載荷將變小。最重要的是應用變槳距，可以對風速高于切出風速的風電機組進行有效的保護，避免其被破壞，延長其使用壽命。缺點是因為變槳距所擁有的功能更多，所以其發(fā)生故障的幾率也會更高，在實際應用過程當中對其進行操控需要極高的技術水平。

1.4 發(fā)電機無齒輪箱化發(fā)展

在風力發(fā)電技術的不斷發(fā)展中，風力渦輪機也在不斷升級，從過去的變速箱到無齒輪箱直驅(qū)永磁風力渦輪機。這種無齒輪箱的風力發(fā)電機在應用過程中，使工作要求變得非常低，而且加工難度也比較小，由于移除了增速齒輪箱，風力渦輪機的軸承直接連接到葉輪軸。因此，在風力發(fā)電電能進行輸出的過程中，需要應用于大功率電力電子變換器來整流頻率不斷變化的交流電。然后再進行逆變輸出，可以輸出到國家電網(wǎng)當中。無齒輪箱的風力發(fā)電機其運行的系統(tǒng)效率會更加高，而且運行安全性穩(wěn)定性會更好。

1.5 結構發(fā)展趨勢

早些年發(fā)展過程中，風力發(fā)電機組因為材料限制以及技術限制，所以結構設計方面存在著很多不足。在近幾年發(fā)展過程中，因為科技的進步以及材料技術的進步，對于風力發(fā)電機組來講，在發(fā)展過程中逐漸變得更加安全，可靠性也得到了顯著提升。此結構之所以向著該方向發(fā)展，主要是因為風力發(fā)電機組在使用過程當中大多數(shù)都存在著使用壽命短的缺陷，所以通過對其結構進行重新設計和改善，使風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子可靠性得到提升，同時對風機的系統(tǒng)進行全面的優(yōu)化改善設計將材料選用的更好，使得控制能夠變得更加穩(wěn)定安全。通過對風電機組結構進行優(yōu)化改善設計，能夠使風電機組的負荷大大降低，而且風機的整體重量以及制造費用也會得到降低。

2 風力發(fā)電機組功率控制

2.1 風力發(fā)電機變槳功率控制

在對風力渦輪機進行分類的過程中，我們可以在安裝過程中根據(jù)風力渦輪機對風力渦輪機葉片和輪轂的安裝結構進行分類。它可分為兩種主要類型：固定螺距風力渦輪機和可變螺距風力渦輪機。前者，即固定螺距風力渦輪機，在安裝過程中，將發(fā)電機的葉片安裝并固定在輪轂上。因此，當使用風力渦輪機時，如果風速改變，則風力渦輪機的葉片安裝角度將不會改變。因此問題是，如果風力渦輪機的風速在運行過程中高于風力渦輪機的額定風速，固定槳距風力渦輪機不能自動調(diào)節(jié)功率，使得難以圍繞風力渦輪機的額定功率擺動。同時，在使用風力渦輪機的過程中，固定節(jié)距風力渦輪機難以進行緊急制動，因此風力渦輪機的安全性將受到很大影響。而這類問題在葉尖擾流器研制成功之后，并且將其應用在定槳距風力發(fā)電機組當中之后，得到了顯著改善。

而變槳距發(fā)電機組在發(fā)展過程當中，因為可靠性與穩(wěn)定性問題的存在，導致變槳距技術在最初發(fā)展過程中所受到的重視程度不高，在后續(xù)的發(fā)展過程當中，不斷對變槳距控制技術進行研究改善，通過不斷研究與改進使得變槳距風力發(fā)電機組可靠性問題得到了控制和改善，隨后才開始在風力發(fā)電過程當中進行了廣泛應用。對于可變節(jié)距風力渦輪機葉片和輪轂之間的安裝是非剛性連接。采用這種連接方式，可以圍繞葉片桁條調(diào)節(jié)風力渦輪機的葉片。因此在風力發(fā)電機運行過程當中，可以根據(jù)不同的方向來對其功角進行調(diào)節(jié)，即使在變換頻繁的風速下，風力發(fā)電機葉片的功角也能夠始終維持在最好的角度，所以在風力發(fā)電過程當中，輸出功率也始終保持在最佳狀態(tài)，輸出功率也會最大。風力發(fā)電機組運行過程當中，風力渦輪機周圍的風速比風力渦輪機切斷風速要高很多的時候，可以在風力渦輪機需要進行緊急制動作業(yè)的時候，通過變槳距來實現(xiàn)，提高制動安全性，降低制動過程中存在的安全隱患。這主要是因為風力渦輪機葉片是羽毛狀的，所以在制動過程當中，即使外部的風力沖擊比較大，對于風力渦輪機也不會產(chǎn)生很大的影響。

2.2 風力發(fā)電機偏航控制功率

對于風力渦輪機，偏航控制系統(tǒng)是重要的部件，其對于風力渦輪機的控制非常重要。偏航控制系統(tǒng)的部件主要是偏航軸承、偏航驅(qū)動器、制動計數(shù)器、絞合電纜保護和液壓回路。它與風力渦輪機控制系統(tǒng)一起使用，在偏航控制系統(tǒng)的作用下，可以確保風力渦輪機的風力渦輪機在運行期間始終處于迎風狀態(tài)。不影響風力渦輪機的發(fā)電操作，并且將提高發(fā)電效率。偏航控制系統(tǒng)可分為兩種類型，被動前風和主動迎風。無源迎風型用于小型獨立風力發(fā)電系統(tǒng)，偏航控制系統(tǒng)將被動地面向風。主動逆風偏航控制系統(tǒng)用于大規(guī)模并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)，并且在應用過程中需要從順風方向接收風向標信號。然后，風力系統(tǒng)被主動控制以用于風力操作。

因為對于風力發(fā)電機組來講，處于自然界當中的風速不是固定不變的，所以需要對風力發(fā)電機艙進行不斷轉(zhuǎn)動，風力渦輪機的風力渦輪機始終處于正風狀態(tài)，以增加自然風冷卻的補充效率。但在實際應用過程當中，因為來自于下風向和風向儀的精度問題，所以導致偏航控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程當中，不能夠使風輪始終處于對方狀態(tài)，所以對自然界中風能的捕獲效率造成了極大程度的影響。

2.3 風力發(fā)電機控制功率

由于風力渦輪機的構造現(xiàn)在越來越大，用于構建大型風力渦輪機的大多數(shù)發(fā)電機是雙饋異步風力渦輪機。在風力發(fā)電機的結構中，定子繞組連接到工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組可以調(diào)節(jié)頻率相位和幅度和相序。內(nèi)部應用的變流器是交直交變流器。雙饋異步發(fā)電機可確保風力渦輪機即使在使用期間風速不同時也能正常使用。而且發(fā)電機的轉(zhuǎn)速還可以根據(jù)風速的改變來進行不斷的調(diào)節(jié)，對于風力發(fā)電機的機組運行來講始終處于最佳狀態(tài)，風能的使用效率得到了極大的提高。而且在輸出發(fā)電的過程中，可以實時控制饋入轉(zhuǎn)子繞組的電流參數(shù)，從而實現(xiàn)恒定的電壓和頻率，并提高風力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過風力發(fā)電機對風力發(fā)電過程中的無人機運轉(zhuǎn)功略以及輸出功率進行全面控制，提高對輸出以及發(fā)電的安全性，增加風電機組運行安全性與穩(wěn)定性，提高風力發(fā)電經(jīng)濟效益以及社會效益。

3 結語

風力發(fā)電機在現(xiàn)今應用的越來越廣泛，尤其是隨著能源結構的不斷改變，對于風力發(fā)電的重視程度也越來越高。在風力發(fā)電過程中，風力發(fā)電機的發(fā)電效率和運行安全性和穩(wěn)定性是風力發(fā)電機組研究的重點。因此，在風電機組研究過程中，有必要不斷研究原風機的發(fā)展趨勢，不斷整合高新技術，提高風機的隨機運行效率。對于風力渦輪機的功率控制問題，有必要改進預定的風力渦輪機的結構和材料的質(zhì)量，以提高風力渦輪機在不同風速下的運行效率。增加自然風能的捕獲，提高風力發(fā)電的發(fā)電效率和質(zhì)量。

參考文獻

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