風力發(fā)電及其控制技術初探

李桂紅

【摘 ?要】隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平有很大提高，對電能的需求也越來越高。在能源緊缺的現(xiàn)代，新型發(fā)電方式逐漸開發(fā)出來，風力發(fā)電在近年來運用較為廣泛，現(xiàn)代控制技術融入到風力發(fā)電中，使得發(fā)電效率大大提升。圍繞控制技術展開討論，介紹幾種典型的控制技術。相信在科技的發(fā)展下，更多的技術會被運用到發(fā)電系統(tǒng)中。

【關鍵詞】風力發(fā)電;控制技術

引言

風能發(fā)電技術是一種環(huán)保、無污染的新能源開發(fā)技術，利用風力取之不竭、用之不盡的特點，來應對當前日趨枯竭的能源環(huán)境。自上世紀七十年代以來，世界上的國家就逐步開始對風力發(fā)電技術進行研究，上世紀末，風力發(fā)電技術的發(fā)展速度令人側目，世界上風力發(fā)電裝機容量逐年上升。結合風力發(fā)電過程以及發(fā)電機控制技術，風力發(fā)電系統(tǒng)主要分為變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)和恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，而風力發(fā)電機的主要運作方式則分為常規(guī)電網(wǎng)電源和獨立電源兩種供電形式。不同的技術所帶來的效果各不相同，本文就此進行了相應的論述。

1我國風力發(fā)電的現(xiàn)況

我國風力發(fā)電的發(fā)展在技術方面上分為三步，一是引進新技術，二是把技術消化吸收三是進行自主創(chuàng)新。現(xiàn)如今，在這方面我國以快速發(fā)展起來。例如，我國的風力制造業(yè)不斷提升。還有隨著國內5WM容量等級風電產(chǎn)品的不斷改進，我國的兆瓦級機組在風力發(fā)電市場被大量使用。雖然我國的風力發(fā)電機組制造業(yè)和配置零組件的發(fā)展足以滿足所需，但是一些高級配置仍然需要從國外進口。所以，培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力和不斷探索新技術迫在眉睫。

目前，是創(chuàng)新的年代，是需要快速發(fā)展的時代，新能源就是一個活生生的例子。作為新能源的一個重要部分，風力發(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)意識到了這個問題，風力發(fā)電無污染，施工時間比較短，投資也不多，而且需要的地區(qū)也不多，這就使得各個國家對其越來越關注。在風力發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆電器是一個非常重要的裝置，其特性的好壞決定了發(fā)電是否靈活。隨著信息技術的發(fā)展，人們也將風力發(fā)電系統(tǒng)做出了很多改變，使其性能得到了很大改進，促進了其進一步發(fā)展。

2風力發(fā)電及其控制技術研究

2.1微分幾何

該項技術由數(shù)學知識演變而來，其包括一定的線性關系，控制過程就是利用這一特性來完成的。此技術的控制原理如下：該數(shù)學知識表現(xiàn)出來的系統(tǒng)實際是非線性的，經(jīng)過某種處理后，成為具有一定功能的線性系統(tǒng)，致使控制技術逐漸趨于完善。對于風力發(fā)電本身，其系統(tǒng)本來就是非線性的，風速的大小是人為無法控制的。當使用此技術時，首先要將這一問題進行解決。然后是對雙饋發(fā)電機的各項操作，主要是對經(jīng)過電機的各項數(shù)據(jù)進行反饋解耦，這一過程需要將非線性情況向線性轉化，從而實現(xiàn)動態(tài)解耦。這對發(fā)電效率的提升非常有幫助，裝置能夠盡可能多的捕獲風能。

若風速過大，需要將電機的轉速適當調低，這樣才能保持其功率不變。通過一系列的步驟，裝置將很好地完成向線性關系轉化的過程，根據(jù)這一關系，可設計出符合實際情況的發(fā)電機組，減少企業(yè)成本的同時，保持充足的電能供應?，F(xiàn)行控制的精確程度很高，但計算過程中會遇到阻礙。且該技術對CPU的要求很高，普通的CPU無法使用到此技術當中。目前研究人員正在攻克兩類難題，可見該項技術具有廣闊的發(fā)展空間。

2.2變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)

簡單來說，該系統(tǒng)的控制方式就是風力機采取變速運行的模式，發(fā)電機的轉速隨風速變化而變化，但可以通過電力電子變換裝置得到恒頻電能。根據(jù)貝茲理論，理想情況下風能所能轉換成動能的極限比值為16/27約為59%。

恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的所采用的風力發(fā)電機只能固定在某一轉速上，但是風能具有一定的隨機性，其能效會受周圍環(huán)境的影響而變化，所以風力機必定會偏離最佳速度，這就必然會在一定程度上降低發(fā)電效率，而變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)就能夠在風速變化的條件下，來適當調節(jié)轉速，從而讓其一直保持著在理想的轉速下運行，確保發(fā)電效率。變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)是目前主流的風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)，對于風力發(fā)電系統(tǒng)而語言，風力發(fā)電機組應該盡可能的確保能量轉換效率，而變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)主要通過控制電機轉矩，來實現(xiàn)高效率的能源轉換。

2.3自適應與滑模變結構

該項技術運用到發(fā)電過程中，可以捕捉系統(tǒng)快速變化的各項數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)處于實時監(jiān)測之下，實現(xiàn)對各運行參數(shù)的良好把控。該技術的工作原理如下：系統(tǒng)運行過程當中，若發(fā)現(xiàn)明顯的波動，此技術控制的監(jiān)測裝置就能精確捕捉到這一點，然后系統(tǒng)對該突變點進行分析，根據(jù)分析結果對發(fā)電裝置的相關速度參數(shù)進行適當調整，保證發(fā)電過程的順利進行。在以往的系統(tǒng)當中，若想控制運行速度，需要先建立起相應的虛擬模型，由于數(shù)據(jù)變化的無規(guī)律性，模型的建立是非常困難的。錯誤的模型會誤導工作人員，這對速度的控制是非常不利的。該項技術的出現(xiàn)很好解決了這一問題，自適應也是目前在風里發(fā)電中應用最多的技術之一。

此項技術的最大特點，就是對各種切換開關的靈活控制。當系統(tǒng)運行不再需要這一檔速度時，該結構接收到系統(tǒng)傳來的相關變檔信息，然后做出反應，自動將該檔位的開關閉合，打開系統(tǒng)需要的相應檔位開關。系統(tǒng)運行中，人員無需對發(fā)電裝置重啟，即可實現(xiàn)對裝置換擋的控制。該技術的特點主要體現(xiàn)在這幾點：設計簡單，并不需要過于復雜的結構;可隨時進行相應的切換工作，具有較強的靈活性;系統(tǒng)參數(shù)變化時，不會影響到該結構的正常控制，具有很強的穩(wěn)定性。該技術能夠將自然干擾與裝置隔離開來，最大程度保證發(fā)電過程正常進行，沒有外界環(huán)境的影響，系統(tǒng)將會處于非常穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.4雙饋發(fā)電變速恒頻系統(tǒng)

雙饋發(fā)電變速恒頻系統(tǒng)是使用雙饋繞線式發(fā)電機的風力發(fā)電機組，所謂雙饋，指的是雙端口饋電，定子和轉子可同時發(fā)電，互相切割磁感線。通常來說，雙饋電機必須配合變頻器使用，變頻器給雙饋電機轉子施加轉差頻率電流，起到勵磁的作用，有效調節(jié)勵磁電流的相位、頻率、幅值，實現(xiàn)穩(wěn)定的定子恒頻輸出。在風力發(fā)電系統(tǒng)中，無論風力作出什么樣的變化，當電機轉速改變的時候，利用變頻器就可調整旋轉速度，從而讓電機的轉速和風速之中保持同步（轉子勵磁電流改變轉子磁勢）。該系統(tǒng)主要是依靠轉子側來實現(xiàn)的，通過轉子電路的功率由交流勵磁發(fā)電機轉速運行來決定，所以該系統(tǒng)的成本較低，設計較為簡便，且后期的維護也十分便捷。另外，該系統(tǒng)還能吸收更多無功功率，可有效解決電壓升高的弊端，從而有效提升電網(wǎng)運作效率，保障電能換換質量以及穩(wěn)定性。

2.5無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)

無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)是目前風力發(fā)電中的新型控制系統(tǒng)，其運作原理和傳統(tǒng)交流電機差別較大，無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)中的電子定子，具有兩套不同極數(shù)的三組繞組，可分別稱為控制繞組和功率繞組，通過電機轉子的磁動勢來實現(xiàn)能量轉換，如果改變相應的頻率以及相位，就可改變電機的運行方式。無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)和普通系統(tǒng)的主要區(qū)別在于，電機定子上有一套控制繞組，可通過調節(jié)繞組上的電流頻率來改變轉速，不過該技術的制造成本較高，并且無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)的體積較大。

結語

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

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（作者單位：國網(wǎng)太原供電公司）