风力发电及其控制技术新进展王璞

风力发电及其控制技术新进展王璞

王璞

(南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司江苏省南京市211106)

摘要：随着人类社会的不断进步与发展，能源过度消耗和环境污染等问题也变得越来越严重。作为常规能源的天然气、石油、煤炭属于不可再生能源，储备有限，使用过程中还会有严重的大气污染。因此，可再生能源的开发利用越来越受到世界各国的重视。随着国家新能源发展战略的实施，我国风电产业已经迈入跨越式发展阶段。风电有着可再生、能量大、无污染等特点，同时我国风能储备量大，分布广泛，有着非常大的开发潜力，所以发展风电能源已经成为一种必然趋势。做好风力发电及其控制技术的研究，具有十分重要的意义，本文就此展开了相关分析和研究。

关键词：风力发电；控制技术；新进展

随着经济的发展和社会进步，人们的生产生活对能源需求量越来越大，开发利用新能源势在必行。作为一种可再生能源，风能在国内有着广泛的分布范围，开发和利用难度不大。除此之外，利用风能进行发电不会对环境造成污染，其成本也比较稳定可控，应用前景十分广阔。目前国内针对风力发电已经进行了一定研究，风力发电的研究范围包括制造发电机、控制风机等。

1.我国风电发展历程

1.1风电行业整体发展历程

我国是在上世纪80年代开始根据国家政策和调零开展风力发电研究的，经过十年的发展，到90年代我国已初步建成了4个大型的风力发电厂。总装机容量约为0.44万千瓦；又经过十年发展至2004年底，我国已经成功建成和使用了更大型的风力发电装置，全国的风力发电装机容量达到约76.4万千瓦，发展速度非常迅速，风电的利用也更加普及。

1.2海上风电发展历程

海上风电方面，我国海风发电大体经过了三个阶段，首先是引进技术，从国外引进先进的海风发电的器械和人才；然后是自己尝试开展海风的发电项目，采用特许权招标方式探索发展；最后是成立专门的海风监管机构，并开展更为普遍的大规模海风发电项目，培育相关的企业和技术人次，形成规范化、产业化运营。

经过近些年的积极探索和实践，我国海上风电正处于向大规模开发转变阶段。2008年至2015年，我国海上风电累计装机容量由1.5MW增至1014.68MW。2016年，中国海上风电新增装机154台，容量达到59万千瓦，同比增长64%。

2.风力发电系统控制的必要性

自然风会在速度大小以及方向上产生随机变化，因此，有效控制发电系统具有重要意义，包括控制机组的切入与切出电网、限制输出功率、检测风轮在运行过程中的故障并加以保护等。从定桨距恒速运行技术到变桨距变速运行技术，风力发电系统的控制技术在近年来得到了很大发展，已经达到基本供电目标。就风力发电机组而言，其重要技术之一就是调节机组功率，其调节方法主要有三种，即主动失速调节、定桨距失速调节以及变桨距调节等。目前，风力发电机组已经实现了变桨距变速运行，利用风速、风向变化，风力发电控制系统不仅可对机组实现并网、脱网和调向控制，还能利用变距系统有效控制机组的功率及转速，实现风力发电机组运行安全、速度的有效提升，大大促进了电力行业发展。

3.1风力发电机组控制技术发展

风力发电机组安全高效的运行离不开控制技术的支撑，主要受到以下几个方面因素影响：第一，随着大气压、温度、湿度等因素的变化，自然风速的方向和大小也相应地发生变化，同时受到风电场地地形等因素影响，自然风速存在有不可控性和随机性的特点，因此风电机组所获取的风能同样存在有不可控性和随机性；第二，为了最大限度地提高风能利用率，风电机组叶片直径可到100m，在运行过程中存在有非常大的转动惯量；第三，在风力发电机组并网、输入功率优化、运行过程中故障检测和保护等方面，利用自动控制技术，能够起到非常好的应用效果；第四，很多有着丰富风力资源的地区地形环境相对较为恶劣，尤其在边远地区以及海岛等区域，人们更希望风力发电机组可受到远程监控，实现无人值班运行，对风力发电机组控制系统可靠性有着十分严格的要求。

随着计算机技术以及自动化技术在风电领域的应用，并网运行风力发电控制技术迅猛发展。在控制形式方面，由单一定桨距失速控制向变桨距方向发展，智能化水平越来越高。

3.2结构设计紧凑、柔性、轻盈化、高可靠性

尽管风电机组技术近年来有了长足的进步,但是从技术商业化程度看,风电机组寿命较短,难以保证技术使用寿命达到20年。因而有必要改进机构设计及相关部件,提高转子可靠性,通过风机系统的优化设计,选用更好的材料、部件、可变速转子、先进的控制装置来实现。这些改进不仅可减轻负荷,而且还可减少风机的重量和不同部件的费用。

3.3风电场远程监控系统及无线网络技术应用

由于风电场一般包括数十台风电机组,对这些风电机组进行联网集中管理与优化控制显得尤为重要。普通以太网使用光纤通信,而对于大型风电场,随着风电机组数量的增加,势必增加布线费用,且当风电场需要改建或扩充时,过多的通信线路会占用很多空间、造成铺设困难等。风电场远程监控系统一般都采用有线方式,成本较高。基于无线局域网的风电场监控系统,实现了各风力发电机的联网,能够降低布线难度和维护成本。

3.4无功功率补偿

受感性元件影响，电力系统中的无功功率会产生消耗现象。当电压通过感性元件时，由于仅仅是无功功率出现消耗，感性元件两端的电压不会产生变化，如果存在较高电压，感性元件会有大电流通过，可能会损坏元件设备。这种情况下，应当对风力发电系统进行无功功率补偿，对谐波作用进行抑制。电容投切法在无功功率补偿中有着广泛应用，但是该方法也存在一定缺点，例如：如果在相同时间内投入的电容容量过大，会导致电压波动产生。

3.5现代控制技术

风力发电现代控制技术主要有以下几种：变结构控制、鲁棒控制、自适应控制以及智能控制等。在风电系统中，变结构控制应用较广，其主要原因为该控制方法具备响应速度快、设计简便、便于实现等优点；在对多变量问题进行处理时，鲁棒控制能够取得良好效果，对于稳定性较强的鲁棒控制，更是能够直接解决参数不准、建模误差以及物质系统受干扰等控制问题；智能控制方法较多，其中最典型的是模糊控制。模糊控制对于数学模型依赖程度较低，可以依靠专家经验对非线性因素的影响进行有效克服。现阶段，建立精确的风力发电机数学模型难度较大，因此在控制风力发电机组时，模糊控制能够取得良好效果，已经受到广大研究人员的关注和重视。

结语

为了推进风电行业的健康可持续发展，国家能源局制定出台的《风电发展“十三五”规划》中提到，到2020年底，风电累计并网装机容量将达到2.1亿千瓦以上，风电年发电量将达到4200亿千瓦时，约占全国总发电量的6%，而2020年的目标是，全社会用电量预期为6.8-7.2万亿千瓦时。随着风电建设步伐的加快,电网中风电容量的比例将会越来越大,而风能受自然因素的影响较大,加之电网结构的薄弱,使得发电出力的随机性很大,风电发展在建设运行中仍然会存在一些问题，但相信未来风力发电会创造更高的价值，有更为广阔的发展空间。

参考文献

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[2]赵若焱.风力发电及其控制技术新进展探究[J].内燃机与配件，2018（13）：236.

[3]冀飞莺，郭政建.风力发电及其技术发展研究[J].企业技术开发，2016（2）：15.