摘要：电力能源作为一种高效的清洁能源，在社会各个行业、领域，有着广泛且深入的应用，是现代社会正常运行和良性发展的重要保障。风力发电是一种新型、环保的发电技术，与传统火力发电相比，风力发电具有经济、安全、可再生等技术优势。近几年，风力发电技术发展十分迅速，并在现实生活中得到了相应的普及和应用，极大地缓解了我国的供电需求压力。另一方面，鉴于风力发电技术的特殊性要求，其对于机组功率控制提出了更高、更新的要求。笔者即从风力发电技术入手，就其功率控制策略，发表几点看法，以供相关人员参考。
关键词：风力发电技术；功率控制；有效策略
近几年，我国社会经济发展迅速，对于电力供应提出了更大的需求。同时，随着人们环保意识的不断升高，与传统的火力发电技术相比，人们更期望通过一种经济、环保的方式，进行电力能源生产。在这种环境背景下，风力发电技术发展迅速，并在现实生活中得到了相应的应用。对于风力发电而言，如何控制发电功率是技术实现的重要内容，并且随着风力发电技术的不断发展，其对于发电功率的控制策略，提出了更高、更新的要求。本文即从风力发电技术入手，围绕风力发电基本原理、风力发电技术发展趋势、功率控制有效策略等内容，进行了分析和探讨，具体内容如下：
一、风力发电基本原理概述
风力发电技术就利用风能资源进行发电的技术，在实际电力生产中，需先将风带有的动能转换为机械能，再通过相应的机组设备实现机械能到电能的转化。风车是最常见的风力发电设备，风车工作过程中，由自然风带动叶片旋转，再通过增速机加速这一旋转速度，最终驱动发电机进行发电。风力发电必需的机组设备被称为风力发电机组，通常由发电机、塔架和风轮三部分结构组成。
风轮是将风动能转化为机械能的关键部件，通常由两只或多只螺旋桨叶组成。当自然风吹过螺旋桨叶时，螺旋桨叶受力开始旋转，从而实现风动能到机械能的转化。在实际应用过程中，为确保风轮始终与风向相对，即以最大功率进行工作，还需在风轮的后部安设类似风向标装置的尾舵，用以调整风轮的方向。
塔架是风轮、发电机等设备的主要支撑，通常为铁架结构，铁塔实际高度有地面障碍物分布情况和风速共同决定，同时风轮直径也会对铁塔高度造成一定的影响。
发电机是风力发电的核心设备，由风轮获得的恒定转速驱动工作，通过定子绕组不断地切割磁感线运动，进行电力能源的可持续性生产。
二、风力发电技术运行特性分析
我国风能资源丰富，可开发利用的陆地风能储量约有2.53亿kW，可开发利用的海上风能储量约有7.5亿kW，且风能资源为无公害可再生资源，与传统的火力发电技术相比，风力发电技术在环保、经济、可再生等方面有着明显的技术优势。近几年，我国风力发电技术发展迅速，经历“小容量到大容量”、“陆上风电到海上风电”、“定桨距到变桨及变速恒频”、“齿轮箱到无齿轮箱”四个发展阶段后，风力发电技术得到了进一步的完善和应用。根据风力发电相关空气动力学特性分析可得，风力发电机输出功率的表示公式如下：
Pm=1/2CpρR2V3
上述公式中，Cp代表风能利用系数；ρ代表空气密度；R代表风轮半径；V代表风速。由此公式可知，如风速、空气密度和风轮半径一定，则风力发电机输出功率主要由风能利用系统影响和决定，二者间呈一种正比例关系。同时，减速比λ的函数表达式如下：
λ=ωrR/V=2πRn/60V
上述函数表达式中，ωr代表风力机角速度；n表示转速。将其带入上述公式中，即可得到另一种风力发电机输出功率的表达式，即：
Pm=1/2Cp（πR/30λ）3ρR2n3
由上述变形公式可知，当风速发生变化时，可采用变速控制风力发电机的方式，实现风能最大效率的科学捕获。
三、风力发电技术功率控制有效策略分析
（一）风速控制策略分析
1、风速控制基本原理分析
对风力机输出功率的控制主要是在调整风速的基础上实现的，具体原理如下:在额定风速和切入风速二者间的风速处于变化的状态下，采用控制变速的方法追踪最佳功率趋向，进而完成对最大功率的有效获取。在额定风速与切出风速发生变化的状态下，采用控制变桨距的方式，控制桨叶桨距的实际角度，从而达到额定功率恒定的目的。就风速控制策略而言，其需要根据实际风速大小，优化选择不同的控制方式，从而在确保风力机最大输出功率的基础上，提高发电机对于风能的有效利用率。
2、风速控制的具体控制流程分析
如选择变桨控制风速，则其具体控制流程如下：首先，相关操作人员应在风力发电机组并网成功时，针对整个系统进行初始化处理，并控制桨距角β初始值为0。完成上述操作后，对风速大小进行初步的的判断；其次，操作人员需比较切入风速与风速的实际数值，如前者小于后者，则风力机来是正常动作。此时，操作人员需考虑到三种情况，一种是额定风速与切入风速间的风速处于变化状态的情况，确定变速控制模式后，需综合驱动信号和转速信号，通过齿轮箱完成对发电机转速的控制和调节。在这一过程中，还需实时对比发电机转速给定值，在此基础上构建闭环反馈自动控制系统，对最佳功率曲线进行追踪。另一种情况则是风速处于额定风速和切除风速之间。此时变速控制器停止圆形，变桨距控制器正常动作，联合功率信号与其给定值的实时对比，借由DSP控制器下达驱动信号，控制液压变桨距机构正常动作，最终实现桨叶桨距角幅度的控制和调节，并以此为基础构建闭环反馈自动控制系统。此外，还有一种切入风速小于风速的情况。此时风力机液压刹车系统正常动作，风力机停止自身工作，完成切除电网的控制操作。变桨控制流程如下图所示。
图一 变桨控制流程示意图
（二）输出功率与风向标控制策略分析
风向标是调整风轮方向的重要元件，风力机偏航的控制和调整，需要以风向标和输出功率为基础进行，其控制原理如下：如风向变化绝对值小于15°，则通过风向标的控制调整进行偏航控制；如风向变化绝对值大于或等于15°，则采用功率调整的方式进行偏航控制。从风力发电实际运行的角度分析，输出功率往往会受到风速、风向等因素的变化影响，从而导致其功率偏航控制仅在风向变化的环境下进行，故而风速变化被视为干扰信号不予考虑。为进一步提高风力机的对风效率，缩短对风时间，提高风力机的风力有效利用率和风精度，在实际应用中，还需加强对实际需求的考虑，优化多种工况的控制，如逆时针旋转控制、原位停止控制等等。
结语
综上所述，随着社会经济不断发展，风力发电技术在现代社会发展中还将得到更加广泛的应用，并且会逐渐趋向规模化的海上风力发电发展。在这种环境背景下，相关技术人员需进一步加强对风力发电功率控制的研究，不断对发电机内部控制元件进行优化，以综合提高风力发电机的运行稳定性，促进我国风力发电事业的进一步发展。
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论文作者:钟建平,芦健
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/22
标签：风速论文; 风力发电论文; 功率论文; 风轮论文; 技术论文; 风力论文; 风能论文; 《电力设备》2017年第24期论文;