風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)研究

王以笑 崔麗艷

摘要：當(dāng)今時(shí)代，人類發(fā)展對(duì)能源的需求日益增大，能源是促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的必備條件。隨著化石能源的需求量越來(lái)越大，化石能源的日益枯竭和帶來(lái)的日益加重的環(huán)境污染問(wèn)題，開發(fā)無(wú)污染可再生的新能源迫在眉睫，其應(yīng)用前景也非常廣闊。風(fēng)能作為一種常用的綠色能源，其分布廣泛，資源豐富，開發(fā)和利用的技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，可控性好，因此越來(lái)越受到各國(guó)的重視。本文就風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的工作原理進(jìn)行了探討，并對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng);控制技術(shù);應(yīng)用

引言

風(fēng)能作為我國(guó)的清潔能源之一，將其應(yīng)用于發(fā)電技術(shù)中，遵循了我國(guó)綠色可持續(xù)發(fā)展理念，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也成了我國(guó)最為常見(jiàn)的發(fā)電技術(shù)之一。由于我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)還存在著一定的缺陷，導(dǎo)致我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率較低，制約了我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。所以，為了提高我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，必須要加強(qiáng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的研究。

1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

風(fēng)力發(fā)電的原理是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行輸出。具體過(guò)程是通過(guò)風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使發(fā)電機(jī)內(nèi)部線圈旋轉(zhuǎn)切割磁場(chǎng)，最終產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)箱變或升壓站升壓后送入電網(wǎng)。通常風(fēng)力發(fā)電機(jī)由風(fēng)輪葉片、低速軸、高速軸、風(fēng)速儀、塔架、發(fā)電機(jī)、液壓系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)等部件組成。其中，風(fēng)輪是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小調(diào)節(jié)葉片的槳矩角，可以最大限度地利用風(fēng)能。塔架是連接支撐風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的支架，其高度是由風(fēng)輪直徑大小和項(xiàng)目所在地風(fēng)況參數(shù)決定的，以確保風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行并獲得較高的發(fā)電量。發(fā)電機(jī)是將風(fēng)輪產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。在風(fēng)機(jī)構(gòu)造中，定義風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比為葉尖速比，是風(fēng)機(jī)的重要參量，其大小是影響風(fēng)機(jī)功率系數(shù)的重要參數(shù)。通過(guò)設(shè)計(jì)葉片的不同翼型，可以改變?nèi)~尖速比。風(fēng)機(jī)組的功率調(diào)節(jié)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)手段，其主要方式包括定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距失速調(diào)節(jié)和主動(dòng)失速調(diào)節(jié)三種。定槳距失速調(diào)節(jié)將風(fēng)機(jī)葉片和輪轂固定，葉片頂角不能隨風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，風(fēng)機(jī)輸出功率隨風(fēng)速而變化，因此在低風(fēng)速下其利用率較低。變槳距調(diào)節(jié)是通過(guò)改變槳距角調(diào)整風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率，盡可能的提高風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率，使風(fēng)機(jī)輸出功率保持平穩(wěn)。主動(dòng)失速調(diào)節(jié)是通過(guò)葉片主動(dòng)失速來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率。當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控;當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，變槳系統(tǒng)通過(guò)增加葉片攻角使葉片失速，從而限制風(fēng)輪的吸收功率。

2風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)的研究

2.1風(fēng)力發(fā)電和電力電子變換器的控制技術(shù)

2.1.1電力電子變換器的控制技術(shù)

從整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中可以發(fā)現(xiàn)，存在著電力電子變換器，并且電力電子變換器的特征表現(xiàn)在多方面：使用面較為廣泛，可以有效地用于大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中;風(fēng)能轉(zhuǎn)換過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)換率較高，完成轉(zhuǎn)換后具備很高的傳輸效率;還可以完善無(wú)功功率因素;其使用的安全性和可靠性很高。電力電子變換器的運(yùn)行功率高且功率范圍也很大;該設(shè)備無(wú)須花費(fèi)很多成本。通過(guò)運(yùn)用pwm整流器于風(fēng)電系統(tǒng)中，能夠最好地控制系統(tǒng)的最大功率。而運(yùn)用整流器的時(shí)候，通過(guò)矢量的控制方法可以解除有功功率和無(wú)功功率之間的障礙，保證無(wú)功功率符合運(yùn)行的相關(guān)要求。另外，pwm整流器還可以使有功功率的輸出量最大化，設(shè)置好直流環(huán)節(jié)并調(diào)整風(fēng)電系統(tǒng)中無(wú)功和有功功率。

2.2.2風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電需要借助風(fēng)力進(jìn)行，這是因?yàn)轱L(fēng)力與地面距離相差加大，這樣一來(lái)，能量轉(zhuǎn)化工作在空中就能完成。發(fā)電機(jī)和相關(guān)設(shè)備都需要努力提升工作效率，并且減輕物體的體重。永磁發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于運(yùn)行效率高且損耗較小，所以被普遍運(yùn)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。發(fā)電機(jī)制造還可以通過(guò)模塊化方式開展，這樣能減少所需花費(fèi)的成本，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行管控的過(guò)程中，一般都會(huì)采用矢量的控制方法，這類方法有效地解除了交軸電流與直軸電流之間的矛盾，也就使系統(tǒng)功率的因數(shù)控制簡(jiǎn)單化。

2.2風(fēng)輪的控制技術(shù)

2.2.1利用功率信號(hào)的反饋

利用功率信號(hào)的反饋進(jìn)一步管控好風(fēng)輪的功率信號(hào)，當(dāng)風(fēng)輪運(yùn)行時(shí)，它們的功率與實(shí)際條件的改變是一致的，然后再對(duì)功率的關(guān)系作出分析，之后繪制出最大功率的曲線圖，完成以上工作后接著做后面的工作。在實(shí)際操作時(shí)，還應(yīng)該對(duì)比最大功率與系統(tǒng)中的實(shí)際輸出功率，獲取它們的差值大小，之后再進(jìn)行風(fēng)輪槳矩的調(diào)整工作，這樣才有助于風(fēng)輪的運(yùn)行功率最大化。這種方式使成本無(wú)須花費(fèi)過(guò)多，但是風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)要獲得最大功率曲線較為困難。

2.2.2管控好葉尖速比

受到風(fēng)力作用的影響，風(fēng)輪中風(fēng)葉尖端轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)具有線速度，并且將其稱為葉尖速。其中葉尖速比表示為葉尖速與這個(gè)時(shí)間之內(nèi)的風(fēng)速形成的比值。對(duì)葉尖速比進(jìn)行控制的主要方法是控制葉尖速比值，從而進(jìn)一步改善風(fēng)機(jī)的運(yùn)行系統(tǒng)。因?yàn)轱L(fēng)速不相一致，所以很難有效地確定出最合適的葉尖速比，應(yīng)該適當(dāng)?shù)馗淖兒驼{(diào)節(jié)葉尖速，并調(diào)節(jié)好風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，這樣才能更好地調(diào)整風(fēng)輪外邊緣的速度，使葉尖速比得到優(yōu)化處理。

2.3風(fēng)力發(fā)電中無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)與諧波消除技術(shù)

2.3.1無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)

在感性元件的影響下，發(fā)電系統(tǒng)中一些無(wú)功功率呈現(xiàn)出消耗的狀態(tài)，電壓經(jīng)過(guò)感性元件的時(shí)候，因?yàn)橹皇菬o(wú)功功率的消耗使得感性元件兩邊無(wú)電壓變化，但是當(dāng)電壓較高時(shí)，經(jīng)過(guò)感性元件的電流較大會(huì)給元件帶來(lái)間接破壞。這時(shí)候，就要結(jié)合實(shí)際情況采取無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)，并且壓抑住諧波作用。雖然無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用很廣，但還是存在一些不足。

2.3.2諧波消除的技術(shù)

風(fēng)機(jī)發(fā)電的時(shí)候，由于存在諧波就是整個(gè)電能的質(zhì)量不高，也給電的電壓及頻率造成不良影響，使無(wú)功功率與有功功率間缺乏平衡，所以一定要把存在的諧波消除掉。具體開展過(guò)程中，因?yàn)橹C波會(huì)影響風(fēng)能的發(fā)電，首先，它會(huì)造成發(fā)電機(jī)的鐵損和銅損，在發(fā)電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生超同步諧振的現(xiàn)象;電力設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，諧波會(huì)造成設(shè)備出現(xiàn)熱故障，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行等。而消除諧波可以從以下幾個(gè)方面入手：第一，使用電力變流器和一些電力設(shè)備讓相應(yīng)的相位與諧波進(jìn)行抵消;第二，適當(dāng)調(diào)整電容器組，進(jìn)而改變無(wú)功功率，從而減少諧波對(duì)無(wú)功功率的影響;第三，運(yùn)用三角形的連接方式，這樣能減少諧波的進(jìn)入量。

3加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電控制的舉措

首先，需要加大研發(fā)和管理力度，促進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，不能過(guò)分依賴產(chǎn)品和技術(shù)進(jìn)口，要建立完善的人才培養(yǎng)機(jī)制，積極創(chuàng)新，研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電技術(shù)。其次，由于我國(guó)風(fēng)力資源分布不平衡，需要進(jìn)一步研發(fā)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)碾娏υO(shè)備，讓不同地區(qū)的風(fēng)電資源得到共享。同時(shí)要進(jìn)一步普及風(fēng)電給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)帶來(lái)的益處，讓更多的人接受風(fēng)電新能源。最后，安全是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)最重要的環(huán)節(jié)，也是保障居民人身安全的重要因素。因此必須加大風(fēng)電技術(shù)的安全管理，杜絕一切可能發(fā)生的安全隱患，在人因稀少的偏遠(yuǎn)地區(qū)增加監(jiān)控力度，密切關(guān)注風(fēng)電設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，要及時(shí)處理。

結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展以及國(guó)民生活水平的進(jìn)一步提高以及人們環(huán)境意識(shí)和清潔能源意識(shí)的增強(qiáng)，各地開始了對(duì)清潔能源的研發(fā)，并建立起大型的風(fēng)能發(fā)電站，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)涉及多種力學(xué)技術(shù)以及空氣動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)和機(jī)械學(xué)。有關(guān)管控風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)在當(dāng)下風(fēng)電行業(yè)中有著較大的研究?jī)r(jià)值。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要科學(xué)合理地管控好風(fēng)輪，并且進(jìn)一步調(diào)整風(fēng)能的大小，對(duì)變換器和發(fā)電機(jī)的控制能夠促進(jìn)發(fā)電質(zhì)量和效率的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]喻挺.風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)新進(jìn)展探究[J].智能城市，2018，4（18）：166-167.

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