風力發(fā)電及其控制技術(shù)新進展探究

林鍵

（福建海電運維科技有限責任公司，福建 福州 350001）

隨著當今社會的進步與經(jīng)濟的發(fā)展，人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中的用電需求也呈現(xiàn)出了不斷上升的趨勢。在科學技術(shù)的不斷發(fā)展中，風力發(fā)電技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在該技術(shù)的具體應(yīng)用中，主要的設(shè)備包括發(fā)電機、變壓器、風輪等，而要想實現(xiàn)風力發(fā)電技術(shù)的良好控制，就需要對這些系統(tǒng)設(shè)備的應(yīng)用做好控制，以此來達到理想的風力發(fā)電效果，滿足實際需求。

1 風力發(fā)電簡述

風力發(fā)電的主要原理就是通過風力來帶動風車葉片轉(zhuǎn)動，然后再借助于增速機提升其轉(zhuǎn)動速度，以此來為發(fā)電機運行提供足夠的動力，促使發(fā)電機發(fā)電。根據(jù)風車技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，在風速為每秒鐘三公尺的微風條件下，風力發(fā)電便可以實現(xiàn)。在當今，風力發(fā)電已經(jīng)逐漸成為了一種主流的發(fā)電方式，因為這種發(fā)電方式既不會面臨燃料問題，也不會對環(huán)境造成污染，所以其應(yīng)用前景十分光明。

2 風力發(fā)電控制技術(shù)

2.1 風輪控制技術(shù)

在風力發(fā)電系統(tǒng)的具體應(yīng)用中，要想達到最高的風電轉(zhuǎn)化率，就需要降低風能的消耗。為達到這一目的，就需要對風輪進行合理控制，具體控制技術(shù)如下：

（1）合理控制風輪葉尖速比。風輪在運行過程中，其風葉尖端在風力作用下所轉(zhuǎn)動的線速度就是葉尖速，而葉尖速與這段時間內(nèi)風速之間的比值就是葉尖速比。通過對葉尖速比的河流控制，便可讓風機系統(tǒng)得到進一步的優(yōu)化，以此降低風能消耗。具體控制中，因為自然風速的大小以及風力都無法調(diào)節(jié)，所以要想達到理想的控制效果，就需要通過葉尖速的改變來實現(xiàn)葉尖速比的調(diào)節(jié)。在此過程中，可以根據(jù)實際的風力和風速情況，通過變槳系統(tǒng)調(diào)整風輪轉(zhuǎn)矩，這樣就可以使其最外側(cè)邊緣速度得到合理控制，以此來實現(xiàn)葉尖速比的進一步優(yōu)化。

（2）合理控制功率信號反饋。對功率信號的反饋進行控制，可以有效控制風輪機功率。在運行過程中，風輪的功率會在條件改變時發(fā)生變化，這也是該控制方法得以應(yīng)用的一個基礎(chǔ)條件。通過對功率關(guān)系的分析可以繪制出其最大功率曲線，并以此為基礎(chǔ)進行功率信號反饋的合理控制。具體控制過程中，應(yīng)該對最大功率以及系統(tǒng)的實際輸出功率的差值分析，然后根據(jù)這個差值進行風輪槳矩調(diào)整，讓風輪始終保持最大的運行功率。通過這種控制方式，不僅可以有效降低風能消耗，同時也可以有效降低控制成本。但是在該控制方法的具體應(yīng)用中，因為獲取最大功率曲線是一項難點內(nèi)容，所以技術(shù)人員需將其作為重點進行研究。

（3）合理控制爬山搜索。通過對爬山搜索的合理控制，可以讓風機功率點得到合理控制，因其圖像和拋物線相類似，所以最大功率點在最高處。具體控制中，如果不能確定出目前工作點的具體位置，可以將風輪運行中的轉(zhuǎn)動速度適當提升，以此來實現(xiàn)系統(tǒng)直流功率輸出的改變，在系統(tǒng)中的直流功率輸出加大的情況下，最高點就會出現(xiàn)在這個拋物線圖像的左側(cè)，反之就會出現(xiàn)在這個拋物線圖像的右側(cè)。通過這樣的方式，就可以及時找出最大功率點的位置，并以此為基礎(chǔ)來進行風輪轉(zhuǎn)速的合理確定。但是這種方法也有一定的缺點，如果風輪具體轉(zhuǎn)動中的慣量比較大，就很難改變其轉(zhuǎn)速。

2.2 風力發(fā)電機控制技術(shù)

目前主要的風力發(fā)電機包括異步風力發(fā)電機、電勵磁同步風力發(fā)電機、永磁同步風力發(fā)電機等，從早期帶齒輪箱高速傳動部件的雙饋式風力發(fā)電機到不帶齒輪箱而是將風機主軸與低速多級同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接相連的直驅(qū)式發(fā)電機，再到更加集成、結(jié)構(gòu)緊湊的半直驅(qū)變速變槳風力發(fā)電機。在具體的風力發(fā)電機制造過程中，采用更加集成設(shè)計和緊湊型結(jié)構(gòu)的風電傳動系統(tǒng)對發(fā)電機進行制造，以此來達到提升效率、降低成本的目的。同時，在對風力發(fā)電機的具體控制過程中，應(yīng)通過全功率矢量法進行控制，解除其直軸電流和交軸電流之間的耦合，以此來實現(xiàn)系統(tǒng)功率因數(shù)的降低，讓風力發(fā)電機得到良好控制。

2.3 電子電力變換器控制技術(shù)

電子電力變換器在當今的風力發(fā)電系統(tǒng)中的適用面非常廣泛，尤其是在大型的風力發(fā)電系統(tǒng)中，電子電力變換器更是得到了廣泛應(yīng)用。通過電子電力變換器進行風能的轉(zhuǎn)換過程中，其能量轉(zhuǎn)換率非常高，且完成轉(zhuǎn)換后，能量傳輸效率也非常高。通過電子電力轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用，可使風力發(fā)電系統(tǒng)中的無功功率得到有效補償，在提升系統(tǒng)運行效率的基礎(chǔ)上實現(xiàn)其功率范圍的進一步擴大。且該設(shè)備的購買和應(yīng)用都不需要太高的成本，具有非常合理的經(jīng)濟性。

具體應(yīng)用中，應(yīng)通過矢量控制的方式對有功功率和無功功率進行解耦處理，讓無功功率有效滿足系統(tǒng)的實際運行需求。另外，通過全功率SPWM矢量控制變流器的合理應(yīng)用，也可以讓風力發(fā)電系統(tǒng)中的無功輸出量達到最大，通過合理設(shè)置直流環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)中有功功率以及無功功率的有效調(diào)節(jié)。

2.4 諧波消除控制技術(shù)

在通過風力發(fā)電機進行發(fā)電的過程中，諧波會導致整體電能質(zhì)量的降低，進而影響電壓和頻率等，讓有功功率和無功功率之間難以達到平衡。所以，要想有效保障風力發(fā)電系統(tǒng)的運行質(zhì)量，就要將其中的諧波消除。在風力發(fā)電系統(tǒng)的具體運行過程中，諧波的影響主要包括以下幾個方面：（1）諧波會導致發(fā)電機通訊和鐵損的增加，進而引起超同步諧振現(xiàn)象。（2）諧波會導致系統(tǒng)設(shè)備的過熱故障，進而影響系統(tǒng)的正常運行。（3）諧波會讓保護系統(tǒng)和控制電路出現(xiàn)誤動作情況，對傳感器精準性造成不利影響。（4）諧波會對電子設(shè)備造成損壞，不僅影響風力發(fā)電系統(tǒng)的正常運行，也會為企業(yè)帶來經(jīng)濟損失。

在風力發(fā)電系統(tǒng)的運行中，若要有效消除諧波干擾，可通過以下幾方面的措施來實現(xiàn)：（1）將電力變流器等電力設(shè)備應(yīng)用到系統(tǒng)中，用這些設(shè)備的相位來抵消諧波。（2）對于諧波現(xiàn)象所導致的系統(tǒng)無功功率增加情況，可通過電容器組的合理調(diào)整來改變系統(tǒng)無功功率，讓諧波對其造成的影響得以有效降低。（3）可通過三角連接法來進行系統(tǒng)連接，以此降低系統(tǒng)中諧波的進入量。（4）在具體的諧波消除中，也可以按照實際情況來合理地加設(shè)濾波器。

2.5 無功功率補償技術(shù)

在風力發(fā)電系統(tǒng)的運行過程中，由于感性元件影響，經(jīng)常會出現(xiàn)功率消耗情況，在電壓從感性元件中通過時，因為消耗的只是無功功率，所以感性元件的兩端并不會出現(xiàn)電壓變化，如果測量到其兩端電壓比較高，則說明感性元件中通過的電流很大，元件設(shè)備也極有可能被損壞。對于此類情況，在進行控制的過程中，可以適當進行系統(tǒng)的無功補償，以此來實現(xiàn)諧波作用的有效遏制。在無功補償過程中，最常用的方法是電容投切法，但是，應(yīng)根據(jù)實際情況來確定投入的電容量，以此來避免電容量投入過大而產(chǎn)生電壓諧波。

3 風力發(fā)電控制技術(shù)的新進展

隨著當今社會經(jīng)濟與科學技術(shù)的協(xié)同發(fā)展，在風力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，信息化和自動化等技術(shù)得到了合理應(yīng)用。其中，最關(guān)鍵的一項技術(shù)就是PLC自動化控制技術(shù)。將該技術(shù)應(yīng)用到風力發(fā)電系統(tǒng)的控制過程中，通過各種傳感器來進行各個設(shè)備運行參數(shù)的采集，通過實際參數(shù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中原始參數(shù)的對比來及時發(fā)現(xiàn)異常，并使其得到及時有效的處理。圖1為風力發(fā)電控制系統(tǒng)示意圖。

圖1 風力發(fā)電控制系統(tǒng)示意圖

PLC自動控制技術(shù)的應(yīng)用不僅可以及時發(fā)現(xiàn)和調(diào)整風力發(fā)電系統(tǒng)的異常情況，避免運行故障發(fā)生，同時也可以讓風力發(fā)電系統(tǒng)的運行實現(xiàn)自動化、智能化的遠程監(jiān)督控制，賦予整個風力發(fā)電機組思想和靈魂。這對于風力發(fā)電系統(tǒng)運行效果的提升及其信息化、智能化的發(fā)展都將有著非常深遠的意義。

4 結(jié)語

綜上所述，風力發(fā)電在當今已經(jīng)開始成為了一種主流發(fā)電技術(shù)。而在風力發(fā)電技術(shù)的具體應(yīng)用中，合理的控制技術(shù)是保障風力發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。所以在具體的運行中，技術(shù)人員應(yīng)加強對其控制技術(shù)的研究，不斷提升風力發(fā)電系統(tǒng)的運行質(zhì)量，解決風力發(fā)電系統(tǒng)的運行問題，保障電力的正常生產(chǎn)與供應(yīng)，滿足當今社會需求，促進風電行業(yè)發(fā)展。