摘要：风力发电技术日臻成熟，市场正逐步扩大，已成为发展最快的新能源之一。风能是低密度能源，具有不稳定和随机性特点，控制技术是风力机安全高效运行的关键，因此研制适合于风电转换、运行可靠、效率高、控制性能良好的风力发电系统和先进的控制技术是推广应用风力发电的关键。本文对风力发电技术与功率控制策略进行了探讨。
关键词：风力发电技术；功率控制；策略
随着风力发电技术日趋成熟，发电成本逐渐下降。风力发电的级别也从单级变为多级，领域更是从陆地向海洋不断拓展。经研究风力发电技术与功率控制策略的相关知识点，可以看出，基于风速控制以及风向标和功率控制下的控制方法，能够实现风能的最大捕获，提高风力发电系统风能的利用效率，保证系统的未定可靠的运行，所以风能值得大力推广应用。
1 风力发电技术的发展
1.1 陆地风力发电向海上风力发电转变
海上风力发电和陆地上风力发电的原理和技术基本相同，但海上进行风力发电，不仅能够节约更多的土地资源还能有效利用海上更加丰富的风力资源，进而进行大规模的批量生产，从而有效降低成本。为此许多国家都在努力进行海上大规模发电项目。
1.2 结构设计趋于紧凑、轻盈化、柔性以及高可靠性
尽管风力发电的技术在最近几年得到了飞速的发展和巨大的进步，但是其技术从商业的角度看，体现出机组寿命较短的弊端。因而，提高发电机组相关构件的可靠性，对于改善机组结构设计是十分必要的。使用更加可靠的材料、可变速转子等先进装置来对机组结构进行优化设计，不仅能够减轻发电机组的负荷还能有效减少风机自重以及相关部件的费用成本，显得经济高效。
1.3 定桨矩向变速、变桨恒频发展
变速运行和恒速运行的发电机相比具有许多优势，可以按照捕获最大风能的要求，在风速发生变化的时候实时地调节风机的转速，使其能够始终保持最佳的转速运行，具有减小机组的机械应力以及增加风能捕获量和风速变化适应性好、效率高、生产成本低等特点。变桨距跟定桨距相比，具有更好的机组启动性能、机组结构受力荷载较小、输出功率稳定等优势，并且当风速高于切出风速时，能够通过桨叶顺桨很好的保护风机免受损坏，增长风力发电机的使用年限。唯一不足的是，增加变桨设置以后，会使得机组更加容易出现故障，程序控制更加趋于复杂化。
1.4 小容量转向大容量
风力发电机组单机容量朝着大型化方向发展，现阶段为主的机组单机容量在1MW 以上，最大达5MW，但美国等发达国家已经开始着手研制容量更大的机组，目前已成功应用7MW容量的发电机，并且更大容量的发电机组已在研究当中。
2 风力发电技术的功率控制策略
2.1风力发电机变桨距控制
在风力发电中风力发电机组在安装结构上根据风轮叶片和轮毂可以分为定桨距风力发电机和变桨距风力发电机两种。定桨距风力发电机是将叶片固定安装在轮毂上，在工作过程中，桨叶是不会发生角度变化的。变桨距风力发电机在实际工作中必须解决风速变化时桨叶自动调节功率和风力发电机的制动功能。具体表现在：①变桨距风力发电机在叶片和轮毂之间采用非刚性联结方式，这样叶片就可以在工作中通过节距的调整，根据风速调整叶片和轮毂之间的角度。在实际工作中，无论风速怎么变化，叶片与轮毂始终保持在最佳的角度，在风力发电中可以提高输出功率；②在风力过大超出风力发电机的切出风速时，就会自动停止工作，桨叶可以在风力机停止工作时保护风力机不会受到损害。
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2.2 风力发电机偏航控制
在风力发电机组控制系统中风力机偏航控制是非常重要的组成部分。偏航控制系统在工作中与风力发电机组相互协调，可以保持风轮一直处在迎风状态，这样可以很大程度上提高风力发电机组的发电效率，同时也可以保障风力发电机组的运行安全。风力发电机偏航系统分为主动迎风偏航系统和被动迎风偏航系统。风力发电机偏航控制系统在工作中主要是在风力发生改变时，可以更好地调整风力发电机，让风力发电机始终处在风向的正前方，这样可以最大限度地捕获风能，对风力发电机的功率输出有很大提升。
2.3 风力发电机控制
在风力发电技术功率控制中，可以通过风力发电机来控制功率输出。风力发电机大多采用双馈异步风力发电机。双馈异步发电机的最大好处就是可以根据风速变化进行适当调整，这样可以保证风力发电机的运行始终是最佳状态，对风能利用率的提高有很大帮助。同时，在双馈异步风力发电机运行过程中，通过控制馈入的电流参数，在保持定子输出的电压和频率不变的基础上，调节电网的功率因数，保障风力发电机的系统稳定。
2.4风向标与输出功率的控制
风向标与输出功率的管理，也是关系到风力发电机组运行功率的重要因素。技术人员在开展相应的控制措施时，应对风向标与输出功率之间的对应关系、理论基础有全面的了解，通过不断调整风力发电系统的输入量，掌握在特定条件下机组的最高输出功率。另外，还要重视对输出功率信号的捕捉和分析，利用计算机软件绘制功率曲线，以便于技术人员更加直观的了解风向标与输出功率在不同环境下的对应关系，为进行风力发电机组风轮桨距等细节参数的调整提供支持。
2.5风轮的控制
在风力发电系统中，风轮是将风能转化为机械能的组要结构。通过对风轮转速的调节，可以实现对风力发电机组功率的控制。就目前来看，国际上最先进的风力发电设备，最高的风电转化效率为60%，为了达到发电功率的最大值，需要对风轮采取以下控制措施：第一是调整叶尖速比，虽然自然风的风速不受人为控制，但是风轮的转速可以通过人工发送的指令进行调整。技术人员通过在不同风力下调整叶尖的转动速度、风轮的转矩等参数，可以获得最优转速，进而提高了风力发电效率。
2.6风速的控制
风速的大小和波动变化程度，将会直接影响到风力发电的效率与质量。因此，在进行风力发电功率控制时，也必须要关注风速的变化情况。虽然不同的风力发电技术中，关于风速控制的技术措施有很大差异，但是在理论上都由一定的相似性。例如，都强调采用信息技术和传感器技术，实现对自然风速的动态监测，并及时将监测信号反馈到计算机中，以便于技术人员掌握风速变化趋势。此外，在进行风速调节时，也要严格按照相关的操作步骤，最大限度的降低因为风速波动变化给风力发电带来负面影响。
2.7运作流程的控制
在现行的几种风力发电功率控制方式中，变桨控制由于具有反应灵敏、精确性好等优势，因此使用最为广泛。在控制系统的实际运行中，风力发电机组主要是通过桨距的变化来判断风速的大小，通过优化运行流程，可以使风力发电机组在面对较大的风力波动变化时，仍然能够保证“风能-电能”的稳定转换，从而达到功率稳定控制的目的。流程优化的要点包括：调整风力发电机组的动作灵敏度，当切入风速超过额定风速时，变速装置感应并发送信号，控制风力发电机组调节功率，确保运行功率与当前的风速保持对应。
综上所述，随着相关技术的不断发展和进步，风力发电具有广阔的发展前景，解决风力发电规模化以及提高其可靠性，以更好的利用风力资源，提高风能的转化效率成为目前亟待解决的问题。风力发电技术以及功率控制技术相关研究的不断深入将有效地提升风能的利用率，使风力发电得到长足发展。
参考文献
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[4] 张鹏.风力发电技术发展及关键问题研究[J].化工管理.2017（35）
论文作者:宋义鹏,张玉环
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/25
标签：风力发电论文; 风速论文; 功率论文; 风能论文; 技术论文; 风力发电机论文; 风轮论文; 《建筑学研究前沿》2018年第36期论文;