淺析風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率控制策略

周楊

【摘 要】在新世紀(jì)發(fā)展過(guò)程中，對(duì)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(jié)構(gòu)中，可再生能源的發(fā)展正在增加。社會(huì)各國(guó)新能源技術(shù)開發(fā)過(guò)程中，風(fēng)力發(fā)電屬于最主要的一種，但風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際電能轉(zhuǎn)化效率還不到60%，轉(zhuǎn)化利用率極為有限。本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及其功率控制進(jìn)行了分析探討。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電;技術(shù)發(fā)展;功率控制

風(fēng)力發(fā)電最早在19世紀(jì)末期就出現(xiàn)了，經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展到現(xiàn)如今已經(jīng)漸漸成為社會(huì)能源的主要來(lái)源之一。而我國(guó)因?yàn)橛秒娏啃枨笤鲩L(zhǎng)，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的重視程度以及發(fā)展水平也越來(lái)越高。從現(xiàn)階段對(duì)風(fēng)力發(fā)電的研究來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電的主要研究?jī)?nèi)容是發(fā)電機(jī)的制造以及風(fēng)機(jī)的管控，如果要充分發(fā)揮風(fēng)力發(fā)電的作用，就應(yīng)該對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)深入研究，具體到風(fēng)輪的控制、變壓器的運(yùn)行、發(fā)電機(jī)等。

1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率控制的重要性

由于自然風(fēng)速度快慢及方向大小存在著明顯差異性，客觀上要求相關(guān)技術(shù)人員重視風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)，近幾年來(lái)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)日趨成熟，我國(guó)自產(chǎn)的機(jī)組具有較大的市場(chǎng)份額，并且國(guó)產(chǎn)的風(fēng)電裝備與現(xiàn)在的風(fēng)電發(fā)展需求相一致，比如說(shuō)，風(fēng)電機(jī)與一些重要的零部件，然而技術(shù)要求更高的零部件還是依靠國(guó)外進(jìn)口，如變流器和主軸軸承這類零部件（主軸軸承是否是依靠進(jìn)口需要核實(shí)）。所以要不斷地創(chuàng)新風(fēng)電裝備制造技術(shù)，具備自主研發(fā)的技術(shù)和能力，而風(fēng)電控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的重要內(nèi)容，在當(dāng)下的研究中具有重要意義。

2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率控制

2.1風(fēng)力發(fā)電和電力電子變換器的控制技術(shù)

（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）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)

（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）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現(xiàn)代化的控制技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電中現(xiàn)代化的控制技術(shù)可以分為以下幾種類型：魯棒控制技術(shù)、變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)、智能控制技術(shù)以及自適應(yīng)控制技術(shù)（確定這幾個(gè)控制技術(shù)適合描述風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)，避免不搭邊），風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，以變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)為主，該技術(shù)運(yùn)用廣泛是因?yàn)榫哂泻芸斓姆磻?yīng)力、設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)難度不大;處理一些多變量問(wèn)題時(shí)，魯棒控制技術(shù)可以發(fā)揮出很好的作用，具有較強(qiáng)穩(wěn)定性的魯棒控制技術(shù)還能有效地處理好參數(shù)不準(zhǔn)、建模出現(xiàn)誤差或者物質(zhì)系統(tǒng)受影響的問(wèn)題;而智能控制技術(shù)最突出的方法是模糊控制，它無(wú)須過(guò)度依賴數(shù)學(xué)模型，只需憑借專家經(jīng)驗(yàn)就能克服一些非線性因素帶來(lái)的影響。目前，一臺(tái)準(zhǔn)確的風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建成概率較小，所以對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制的過(guò)程中，可以多使用模糊控制方法。

2.4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)

（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）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結(jié)語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)在現(xiàn)今應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，尤其是隨著能源結(jié)構(gòu)的不斷改變，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電的重視程度也越來(lái)越高。在風(fēng)電機(jī)組研究過(guò)程中，有必要不斷研究原風(fēng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，不斷整合高新技術(shù)，提高風(fēng)機(jī)的隨機(jī)運(yùn)行效率。增加自然風(fēng)能的捕獲，提高風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電效率和質(zhì)量。

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（作者單位：國(guó)電電力寧夏新能源開發(fā)有限公司）