風(fēng)力發(fā)電及其控制探討

肖海韜

摘要：在我國能源體系當(dāng)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(fēng)力發(fā)電屬于一種低成本并且廉價(jià)又無污染的發(fā)電技術(shù)，在社會清潔能源結(jié)構(gòu)當(dāng)中所占比重越來越大。但風(fēng)力發(fā)電的實(shí)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。本文主要針對風(fēng)力發(fā)電及其控制問題進(jìn)行分析和討論。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;控制;

一、風(fēng)力發(fā)電原理分析

在風(fēng)力發(fā)電過程當(dāng)中，主要的發(fā)電原理是通過自然界存在的風(fēng)，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片進(jìn)行驅(qū)動，然后旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的過程當(dāng)中，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速會逐漸增加，然后通過發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。在發(fā)展過程中，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上會安裝有傳感器，該傳感器能夠?qū)ψ匀唤缰蟹较蜻M(jìn)行檢測，然后通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部存在的偏航系統(tǒng)，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片進(jìn)行控制，使其能夠隨著風(fēng)向改變而不斷運(yùn)動，對自然界中的風(fēng)進(jìn)行最大程度的捕獲，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率。而經(jīng)由風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生的電能在進(jìn)行使用之前，還需要通過蓄電池來對這些風(fēng)力發(fā)電所得電腦進(jìn)行儲存，然后將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，通過化學(xué)能再進(jìn)行放電，將其變?yōu)?20伏交流電，然后才能夠被國家電網(wǎng)并入并進(jìn)行使用。

二、風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀分析

在電力行業(yè)中，采用替代能源的技術(shù)之一就是風(fēng)力發(fā)電，對于能源結(jié)構(gòu)的改善以及資源的節(jié)約具有十分重要的意義，風(fēng)能作為一種清潔能源，對于環(huán)境的保護(hù)以及氣候的改善具有積極的促進(jìn)作用。在我國已經(jīng)制定了相應(yīng)的政策對風(fēng)力發(fā)電行業(yè)進(jìn)行支持，比如分?jǐn)傠娰M(fèi)、財(cái)稅優(yōu)惠等。要加強(qiáng)對風(fēng)能的利用，使其成為發(fā)電過程中的補(bǔ)充能源，促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模效應(yīng)的發(fā)揮，首先應(yīng)加強(qiáng)具體的硬件設(shè)施建設(shè)，即加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電廠的建設(shè)以及發(fā)展。當(dāng)前，中國市場上具有百家風(fēng)力發(fā)電廠，其規(guī)模不一，位置主要是分布沿海地區(qū)，主要是由于這些地區(qū)的風(fēng)力資源比較豐富，風(fēng)能分布比較密集，因此有助于風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的有效開展。當(dāng)前我國對風(fēng)力發(fā)電的支持程度十分高，對風(fēng)力發(fā)電的投入也十分巨大，加強(qiáng)了各種設(shè)備的投入，以保證風(fēng)力發(fā)電的硬件需求。很多數(shù)據(jù)都表明我國的風(fēng)力發(fā)電行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了規(guī)模化發(fā)展的階段。但是在風(fēng)力發(fā)電過程中仍然存在一些問題。

三、風(fēng)力發(fā)電控制的必要性分析

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)，例如：控制機(jī)組切入及切出電網(wǎng)、限制輸出功率、檢測風(fēng)輪運(yùn)行期間中各種故障予以保護(hù)等。近幾年來我國風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)日趨成熟，即由定槳距恒速運(yùn)行技術(shù)向變槳距變速運(yùn)行技術(shù)轉(zhuǎn)變，基本達(dá)到預(yù)期的生產(chǎn)目標(biāo)。從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組角度來看，以調(diào)節(jié)機(jī)組功率為核心技術(shù)之一，其調(diào)節(jié)方法可劃分為變槳距調(diào)節(jié)、定槳距失速調(diào)節(jié)及主動失速度調(diào)節(jié)。目前我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本實(shí)現(xiàn)變槳距變速運(yùn)行，結(jié)合風(fēng)速風(fēng)向的變化情況基本實(shí)現(xiàn)脫網(wǎng)、并網(wǎng)及調(diào)向控制各個發(fā)電機(jī)組，充分發(fā)揮變距系統(tǒng)作用，控制機(jī)組轉(zhuǎn)速及功率。

四、風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)分析

1、風(fēng)輪控制技術(shù)

為了提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率，最大限度降低風(fēng)能獲取期間中各種能量消耗。從風(fēng)輪角度來看，其控制方面技術(shù)包含爬山搜索控制、功率信號反饋控制及葉尖速比控制。其中，爬山搜索控制適用于控制風(fēng)機(jī)功率點(diǎn)，其圖像與拋物線較為相似，以最大功率點(diǎn)為最高處，一旦確定當(dāng)前工作點(diǎn)位置后則適當(dāng)增加風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)動速度，改變系統(tǒng)輸出直流功率，而系統(tǒng)輸出直流功率上升后最高點(diǎn)位于拋物線左側(cè)，便于技術(shù)人員盡快找出最大功率點(diǎn)，確定風(fēng)輪最終轉(zhuǎn)速。功率信號反饋控制適用于控制風(fēng)輪功率信號，特別是風(fēng)輪運(yùn)行期間其功率隨著條件變化而改變，是功率信號反饋控制方法的核心原理。

同時，功率信號反饋控制主要通過分析功率關(guān)系繪制最大功率曲線等方法進(jìn)行后續(xù)操作，特別是具體實(shí)踐期間對比分析系統(tǒng)具體輸出功率及最大功率計(jì)算出二者最大差值，便于調(diào)整風(fēng)輪槳距，大大提高風(fēng)輪運(yùn)行效率，進(jìn)一步有效控制總體成本投入。通常情況下，風(fēng)力作用下風(fēng)輪風(fēng)葉尖端轉(zhuǎn)動速度被稱為葉尖速，而葉尖速比指葉尖速與此時間段風(fēng)速的比值。與其他控制方法相比，葉尖速比控制方法主要通過控制葉尖速比值優(yōu)化風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，綜合考慮風(fēng)速差異性計(jì)算出最為適宜的葉尖速比。此外，受短時間內(nèi)無法調(diào)節(jié)控制自然風(fēng)速度及風(fēng)力大小的影響，客觀上要求相關(guān)技術(shù)人員調(diào)整風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩控制風(fēng)輪最外邊緣的速度。

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(fēng)力機(jī)采取變速運(yùn)行的模式，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)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。恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的所采用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)只能固定在某一轉(zhuǎn)速上，但是風(fēng)能具有一定的隨機(jī)性，其能效會受周圍環(huán)境的影響而變化，所以風(fēng)力機(jī)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(fēng)速變化的條件下，來適當(dāng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而讓其一直保持著在理想的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，確保發(fā)電效率。

3、自適應(yīng)與滑模變結(jié)構(gòu)

該項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用到發(fā)電過程中，可以捕捉系統(tǒng)快速變化的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)處于實(shí)時監(jiān)測之下，實(shí)現(xiàn)對各運(yùn)行參數(shù)的良好把控。該技術(shù)的工作原理如下：系統(tǒng)運(yùn)行過程當(dāng)中，若發(fā)現(xiàn)明顯的波動，此技術(shù)控制的監(jiān)測裝置就能精確捕捉到這一點(diǎn)，然后系統(tǒng)對該突變點(diǎn)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果對發(fā)電裝置的相關(guān)速度參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證發(fā)電過程的順利進(jìn)行。在以往的系統(tǒng)當(dāng)中，若想控制運(yùn)行速度，需要先建立起相應(yīng)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(dǎo)工作人員，這對速度的控制是非常不利的。該技術(shù)的最大特點(diǎn)，就是對各種切換開關(guān)的靈活控制。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行不再需要這一檔速度時，該結(jié)構(gòu)接收到系統(tǒng)傳來的相關(guān)變檔信息，然后做出反應(yīng)，自動將該檔位的開關(guān)閉合，打開系統(tǒng)需要的相應(yīng)檔位開關(guān)。系統(tǒng)運(yùn)行中，人員無需對發(fā)電裝置重啟，即可實(shí)現(xiàn)對裝置換擋的控制。該技術(shù)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在這幾點(diǎn)：設(shè)計(jì)簡單，并不需要過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu);可隨時進(jìn)行相應(yīng)的切換工作，具有較強(qiáng)的靈活性;系統(tǒng)參數(shù)變化時，不會影響到該結(jié)構(gòu)的正?？刂疲哂泻軓?qiáng)的穩(wěn)定性。該技術(shù)能夠?qū)⒆匀桓蓴_與裝置隔離開來，最大程度保證發(fā)電過程正常進(jìn)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)。

結(jié)束語

隨著環(huán)境保護(hù)理念不斷加深，人們越發(fā)重視對新能源的開采和利用，對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也有了與以往不同的全面理解。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一，也是未來電力企業(yè)發(fā)展的方向性產(chǎn)業(yè)之一，因此提升相關(guān)技術(shù)水平，完善管理結(jié)構(gòu)，平衡資源分布，將有效實(shí)現(xiàn)風(fēng)電技術(shù)的合理發(fā)展。

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