茂名市中坳风电有限公司
摘要：风力发电技术是一种将风能转换成电能的技术，其中风力发电机组起着决定性的作用。我国是一个风能资源蕴藏量大的国家，集中力量开发风能资源已成为我国新能源开发的重要环节，甚至已制定出2020年风电发展目标（8.0*1010W）。本文就风力发电技术与功率控制措施进行探究。
关键词：风力发电技术；功率控制措施
引言
随着我国科学技术水平的不断发展，风力发电技术也得到了广泛应用。风力发电的基本原理就是利用风能设备，把因为温差产生的空气流动不断向电能转化，实际上就是利用空气中的动能，也就是“风能”来带动风车设备的叶片旋转，之后把叶子的转轴连接到增速机器上提高旋转速度，把机械的动能向机械能转化，之后通过转轴带动发电机起到发电的作用。
一、风力发电技术
1.1风力发电机的功率调节
风力发电机是通过风力机来捕获风能，把风能转化为电能的一种装置，风力发电机实现风能采集和转变的关键技术是功率调节。现使用的主要有两种控制方式：定浆距控制和变浆距控制。
定浆距风力发电机的控制状态当风力发生变化时，桨叶的迎风角速度不变，其主要优点是结构简单可靠性高。缺点是机组风能的转化效率较低，不能适应多种风速条件。
变浆距主要通过改变桨叶迎风面和纵向旋转轴之间的夹角，来改变桨叶的受力大小，最终对风力发电机的输出功率进行控制。这种变浆距的方式输出的功率曲线相对平滑，风速在风力机的风速额定值下时，桨叶攻角在零度左右，风力机会最大的输出功率。反之，风速在额定值上时，在变浆距结构的作用下，调节攻角大小使输出功率在额定功率左右。这种变浆距功率控制方式的成本低，当风速达到一定数值时，定浆距失速风力机就被迫停止运行，通过调节攻角的大小使风力机的输出功率在合适数值内。
1.2变速恒频风力发电系统
风力发电系统有三种类型：全功率变换器无齿轮箱的增速变速恒频风力发电系统；全功率变换器单级齿轮箱变速恒频风力发电系统和多级齿轮箱增速的双馈感应的异步风力发电系统。本文主要对第三种类型双馈感应的异步风力发电系统进行介绍。
多级齿轮箱增速的双馈感应异步风力发电系统（DFIG）是目前风力发电技术中使用最为广泛的一种系统结构。在发电机和风力机之间采用多级的增速齿轮箱，使发电机的转速得到提高，发电机的体积较小较轻。其最大优点是励磁变换器的容量得到了降低，节省大概0.1-0.3倍的发电机容量，这种结构稳定不会存在退磁现象。
二、变速恒频双馈异步发电系统的网侧变换器直接功率控制策略
2.1数学模型
DFIG风力发电系统主要采用双直流电机变频器做励磁系统，网侧变换器是指和电网相连的部分，和DFIG的转子相连的部分称作转子侧变换器，两种变换器之间用直流环节分开，控制相对独立。这种网侧变换器可实现双向流动，具有良好的输入输出性能，成为当前DFIG风力发电系统主流的频率控制策略。
网侧变换器也分为两种控制方式：矢量控制和直接功率控制。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆其中矢量控制对电流精度的要求较高却跟踪性好，缺点是矢量控制需要同步速的坐标变换，所以其控制结构较复杂。直接功率控制的控制结构简单，动态性能较好。但传统的直接功率控制的开关频率不稳定，会产生不固定的电流谐波。而网侧变换器采用的是三相两电平的PWM变换器构成，这种变换器的主要特点是可实现双向流动。工作原理：当DFIG在亚同步的速度下工作时，网侧变换器就会处于整流状态，能量会从三相交流的电网中直接汇入直流环节。当发电机系统的工作速度超过同步时速时，网侧变换器会处于逆变的工作状态，能量会从直流环节汇入到三相交流网络中。
2.2网侧变换器直接功率控制
1.预测直接功率控制
预测直接功率控制是指在一个控制周期内，可选择多个电压空间矢量，再根据无功功率、有功误差来确定选择合适矢量，合理安排时间，最后获得变换器运行的开关信号。
2.基于查询开关表的频率控制
该方式是基于离线计算开关表和置换调节器组成的，是通过计算功率之间的误差和扇区信号来对不同的交流电压矢量进行选择，来获得开关表的信号。
3.基于滑模变结构的直接功率控制
其主要原理是把滑模控制器和直接功率控制策略相结合，实现固定的开关频率，该方式的优点是降低无功和有功功率的乱扰现象。
滑模变结构的特性：使系统沿着特定状态轨迹做高频率小幅度的上下运动。滑模变结构控制器的设计是根据滑模的存在性条件和系统在正常情况下工作的动态品质要求来设计。系统主要通过切换函数S的符号进行判断，不断切换控制变量来改变系统整体结构状态，最终使系统在实现设计好的状态下正常运行。
三、风力发电技术的发展方向
3.1 风力发电机组运行方式向变桨、变频恒频方向发展
与风力发电机组的恒速运行方式相比，变速运行方式允许根据风速变化情况对风力机的转速进行实时调节，确保风力发电机始终保持最佳的运转状态，实现风能捕获量最大化，可见风力发电机组采取变速运行方式体现出生产成本低、风能捕获量大、风速适应性好、机械应力低、生产效率高等优点。变桨距比定桨距更优，即变桨距对稳定机组输出功率、增强机组起动性能、控制机组结构受力载荷至关重要，
如果切出风速比风速高，其桨叶能对风机起到保护作用，延长风机的使用寿命。但上述发展举措尚待完善，因为变桨装置的增加势必增加故障的概率，同时导致控制程序复杂化。
3.2 风力发电机向无齿轮箱直驱式方向发展
与有齿轮箱相比，无齿轮箱直驱式永磁风力发电机要求发电机轴与叶轮轴直接连接，直接省去增速齿轮箱的举措对实时改变转子的转速及输出交流电的频率起着重要作用，也体现出风力发电系统高效率及高可靠性的特点。无齿轮箱直驱式风力发电机作为国际一流风力发电机，其主要借助低速多极永磁发电机及全功率变频器来实现风电到电网的过程。实践证实，直驱式风力发电机的应用能实现系统的高效率及高可靠性，因此具有较大的应用前景。同时永磁电机也表现出能量密度大、运行效率及可靠性高的特点，此类发电机必定长时间占据国际市场。
结束语
丰富的风能使风力发电技术日趋成熟，发电成本逐渐下降。风力发电的级别从单级变为多级，领域从陆地向海洋不断拓展。变速恒频双馈风力发电系统采用网侧变换器直接功率控制策略对发电机的功率进行控制，实现风能的最大捕获，提高风力发电系统风能的利用效率，保证系统稳定可靠地运行。
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论文作者:肖欣,卢光肖
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/23
标签：变换器论文; 齿轮箱论文; 功率论文; 风力发电论文; 风能论文; 系统论文; 风速论文; 《建筑学研究前沿》2017年第33期论文;