风力发电系统控制技术应用研究边志红

风力发电系统控制技术应用研究边志红

边志红

（辽宁大唐国际新能源有限公司辽宁省沈阳市110166）

摘要：当下，风力发电产业发展前景很良好，但还是存在一些问题需要我们去解决和思考。很多风力发电企业还需要引进其他国家的先进技术，不光是风力发电机的控制系统，还有风力发电设备的制造，都需要借助其他力量才能完成。另外，在研制一些关键的零部件上，我们国家尚不具备先进的风力发电技术，并且规范程度也较低，所以这需要风力发电企业在重视自主研发技术、学习先进技术的基础上不断创新，从而形成自主知识产权，不断地促进我国风力发电技术的发展和进步。

关键词：风力发电系统；控制技术；应用

1风力发电系统的工作原理

风力发电主要是利用风能进行发电，它是新型清洁能源开发后最为重要且效果显著的发电方式。风力发电系统的组件主要包括了叶轮、发电机、变流器等。其中，叶轮的主要作用是收集风能后将其转化为机械能，然后通过风力发电系统的发电机将其转化为电能且电流为交流电；经发电机转化的交流电又通过变流器转换为与电网电压相同的交流电，最后通过变压器并入电网运行。

2风力机最佳运行原理

通过相关研究后可知，影响风力机最佳运行的主要原因有3个：一是叶轮收集的风能；二是发电机的实际运行功率；三是发电机对风速的反馈效率。通过分析动力学的相关理论知识可知，风力机叶轮收集的风能转换后的机械输出功率（P）可用以下公式表示：

在公式（1）中可以得到以下结论：1）如果风速（V）固定，风轮的吸收功率（Pr）与风轮的半径（R）呈正相关关系，即当风轮的半径越大，风轮吸收的功率也越强。但是，如果风轮的半径过大，不仅会增加风轮的成本，还会加大风轮安装的难度。2）如果风轮的半径（R）为固定值，风轮的吸收功率（Pr）与风速（V）呈正相关关系，即当风速越大时，风轮的吸收功率越大。所以，为了提高风轮的吸收功率，要尽可能地将风力发电系统安装在高度较高的区域，这是因为，同一个地方，风力发电系统的位置越高，风轮的风速也就越大。3）发电系统风轮的吸收功率（Pr）与风轮的叶片数量无关，但是却与发电机系统周围的空气密度（ρ）呈正相关关系。4）通常情况下，风力机的功率系数（Cp）不可作为常数，且最大值为0.593，但却会因为风速（V）、风轮旋转角速度（ω）以及桨距角（β）的改变而发生变化。

2.1变桨距调节

变桨距调节主要是在定桨距风力发电机组的基础上通过调节叶轮叶片的攻角对风力发电机功率进行调节。当风力发电机调节功率超出额定功率时，桨距角（β）开始朝着风力较小的一面转动一定角度，此时桨距角（β）与攻角（α）呈负相关关系，当风力发电系统并网运行后，变桨距机组运行时通过控制叶轮的转速实现对风力发电机功率的调节。

2.2主动失速调节

主动失速调节是变桨距调节与定桨距失速调节的有机结合。当风力发电机的风速较低时，需要使用变桨距调节的方式对风力发电机的功率进行调节，从而不断提高风力机的气动效率；当风力机的功率到达额定功率时，通过桨距失速调节方式让桨距角（β）朝着风力较小的一面转动一定角度，此时攻角（α）开始增大，并加深了叶轮叶片的失速性，风力机收集风能的能力下降，从而稳定的风力发电机的功率。

3风力发电及其控制技术的研究

（1）风力发电和电力电子变换器的控制技术：①电力电子变换器的控制技术。从整个风力发电系统中可以发现，存在着电力电子变换器，并且电力电子变换器的特征表现在多方面：使用面较为广泛，可以有效地用于大型风力发电系统中；风能转换过程中能量的转换率较高，完成转换后具备很高的传输效率；还可以完善无功功率因素；其使用的安全性和可靠性很高。电力电子变换器的运行功率高且功率范围也很大；该设备无须花费很多成本。通过运用pwm整流器于风电系统中，能够最好地控制系统的最大功率。而运用整流器的时候，通过矢量的控制方法可以解除有功功率和无功功率之间的障碍，保证无功功率符合运行的相关要求。另外，pwm整流器还可以使有功功率的输出量最大化，设置好直流环节并调整风电系统中无功和有功功率。②风力发电的控制技术。风力发电需要借助风力进行，这是因为风力与地面距离相差加大，这样一来，能量转化工作在空中就能完成。发电机和相关设备都需要努力提升工作效率，并且减轻物体的体重。永磁发电机的优势在于运行效率高且损耗较小，所以被普遍运用于风力发电系统中。发电机制造还可以通过模块化方式开展，这样能减少所需花费的成本，对风力发电系统的发电机进行管控的过程中，一般都会采用矢量的控制方法，这类方法有效地解除了交轴电流与直轴电流之间的矛盾，也就使系统功率的因数控制简单化。

（2）风轮的控制技术：①利用功率信号的反馈。利用功率信号的反馈进一步管控好风轮的功率信号，当风轮运行时，它们的功率与实际条件的改变是一致的，然后再对功率的关系作出分析，之后绘制出最大功率的曲线图，完成以上工作后接着做后面的工作。在实际操作时，还应该对比最大功率与系统中的实际输出功率，获取它们的差值大小，之后再进行风轮桨矩的调整工作，这样才有助于风轮的运行功率最大化。这种方式使成本无须花费过多，但是风机在正常运行时要获得最大功率曲线较为困难。②管控好叶尖速比。受到风力作用的影响，风轮中风叶尖端转动时具有线速度，并且将其称为叶尖速。其中叶尖速比表示为叶尖速与这个时间之内的风速形成的比值。对叶尖速比进行控制的主要方法是控制叶尖速比值，从而进一步改善风机的运行系统。因为风速不相一致，所以很难有效地确定出最合适的叶尖速比，应该适当地改变和调节叶尖速，并调节好风轮转矩，这样才能更好地调整风轮外边缘的速度，使叶尖速比得到优化处理。

（3）风力发电中无功功率补偿技术与谐波消除技术：①无功功率补偿的技术。在感性元件的影响下，发电系统中一些无功功率呈现出消耗的状态，电压经过感性元件的时候，因为只是无功功率的消耗使得感性元件两边无电压变化，但是当电压较高时，经过感性元件的电流较大会给元件带来间接破坏。这时候，就要结合实际情况采取无功功率补偿技术，并且压抑住谐波作用。虽然无功功率补偿的应用很广，但还是存在一些不足。②谐波消除的技术。风机发电的时候，由于存在谐波就是整个电能的质量不高，也给电的电压及频率造成不良影响，使无功功率与有功功率间缺乏平衡，所以一定要把存在的谐波消除掉。具体开展过程中，因为谐波会影响风能的发电，首先，它会造成发电机的铁损和铜损，在发电机内产生超同步谐振的现象；电力设备在运行时，谐波会造成设备出现热故障，影响系统的正常运行等。而消除谐波可以从以下几个方面入手：第一，使用电力变流器和一些电力设备让相应的相位与谐波进行抵消；第二，适当调整电容器组，进而改变无功功率，从而减少谐波对无功功率的影响；第三，运用三角形的连接方式，这样能减少谐波的进入量。

结束语

风力发电技术涉及多种力学技术以及空气动力学、材料学和机械学。有关管控风力发电的技术在当下风电行业中有着较大的研究价值。风力发电系统需要科学合理地管控好风轮，并且进一步调整风能的大小，对变换器和发电机的控制能够促进发电质量和效率的提升。

参考文献：

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