摘要：风力发电：把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电能。风力发电的原理：是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
关键词：风力发电；定桨距；控制
一、风力发电机
风力发电是一种缓解能源危机的有效手段，其以独特的优势得到了世界各国广泛的关注和重视。传统的风力发电机主要有笼型异步发电机、双馈异步发电机和同步发电机等等。其中，笼型异步发电机主要是借助电容器实现无功补偿，高于同步转速附近恒速运转，使用定桨距失速促使发电机运行。双馈异步发电机在实际运用中可以有效降低功率变化器功率。同步发电机的转速较低、轴向尺寸较小，更加适合应用在启动力矩较大的并网中。
当前，研发人员对风力发电机进行了不断创新和完善，其新型的风力发电机主要包括无刷双馈异步发电机、永磁无刷同步发电机和永磁同步发电机等等。其中，无刷双馈异步发电机自身优势较为突出，结构简单，过载能力强，运行效率更高、更可靠，可以有效改善传统标准型双馈发电机运行过程存在的缺陷和不足，同时其还具有笼型异步发电机的优势。永磁同步发电机则是运用二极管代替电刷装置，将两者连接为一体基础上，采用外电枢结构。永磁同步发电机不需要加设励磁装置，可以有效降低励磁损耗，运行优势较为突出，值得广泛推广和应用。
二、风电机组控制系统软件设计
2.1模块化
控制系统整个软件是许多硬件的整合，我们可以讲每一个硬件子系统都有独立的模块，子系统与PLC之间的数据交互即为模块的输入输出，这种模块化的形式通过固化被选择性的调用执行程序，从而实现程序的兼容性，并做到小范围的软件修改和工作量的最小化。
2.2参数化
参数设置是对软件灵活性的优化。对于多配置整合的程序，我们将软件开关作为一种参数，完成配置间切换，来决定程序模块是否正常执行。包括动作件参数、故障参数、控制参数等，对不同属性结构体的形式进行设置，执行程序时只需读入相应参数即可。
2.3功能化
软件功能化包括协议解析功能化、故障判断功能化及控制功能化。协议解析功能化即依据特定的子系统定义不同的功能块，当调用特定的配置参数时，可以执行相应的功能块程序，完成功能块内部的所有数据库的处理。故障判断涉及对所有控制监测的判断，应用功能块可简化并统一故障的判断。将软件中大量的逻辑控制（如水冷的风扇控制，变桨控制等）整合到功能块中，制定全面的输入输出接口，既完成现有控制功能，又增加了其拓展功能。因此功能模块化使得程序执行逻辑性与可读性均有所提高。
三、关于风力发电机组控制技术研究方法
1、常规与先进控制方法研究
常规控制方法是基于对象线性化模型的线性控制策略，如常规PID控制方法，因为结构简单、方法成熟，被广泛应用于各种工业控制领域。由于风力发电系统是一个多变量、非线性、强耦合、时变的复杂系统，常规PID理论难以实现高精度、高可靠性和高适应性的控制，同时存在如增益调节表获取困难，没有修正算法等缺点。由于PID控制是线性控制器，只能保证在设计点处有较好的性能，对与运行在高度非线性的情况下并不适用。
目前，工业中应用较成熟的智能控制方法主要包括模糊控制、神经网络、专家系统等。模糊控制是一种基于模糊推理，以模糊数学、模糊语言的逻辑推理为理论依据，模仿人的思维形式实施的一种自动控制，尤其适用于像风力发电系统这种多变量、非线性、很难建立其精确数学模型的系统。
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采用常规的PID控制器对低风速和高风速两种情况下进行风轮转速和桨叶节距角的控制调节。常用的二维模糊控制器以误差和误差变化作为输入变量，因此，这种控制器具有模糊比例―微分控制作用，但是缺少模糊积分控制作用。积分控制作用能够消除稳态误差，比例控制作用动态响应快，因此可以把PI控制策略引入模糊控制器，构成模糊PID复合控制。这种复合控制策略是设定一个阀值，在大偏差范围内采用模糊控制，在小偏差范围内转换成PID控制。应用了这种方法来进行风力机的偏航控制。提出了这种方法的另一种方案，将模糊控制和I调节器复合，相当于一个具有变参数的比例微分控制作用和不变参数的积分控制作用的PID调节器。在功率系数SVM模型基础上，采用支持向量机的变桨距控制算法控制机组输出功率，最终使风轮可以在变化的风速中获取最大能量，并能有效改善控制器切换时引起的功率暂态响应，具有较好的实时性和鲁棒性。把支持向量机首次引入风电机组控制领域，体现了很好的性能。建立了变速变桨距风力发电机组的简化模型，在此基础上，将变论域自适应模糊控制方法应用到风力机组的转速和桨距控制系统中，该方法优化了风力发电机组的运行性能。
2定桨距与变桨距控制
采用定桨距失速控制方式的风力机组，叶片固定安装在风轮上，角度不能改变，功率调节完全依靠失速型叶片自身的失速特性来实现。这种机组的输出功率随风速的变化而变化，难以保证在额定风速之前的风能利用效率最大，特别是在低风速段。采用定桨距控制的风力机组通常设计有两个不同功率、不同极对数的异步发电机。大功率高转速的发电机工作于高风速区，小功率低转速的发电机工作于低风速区，由此来调整参数，尽可能维持功率恒定采用变桨距功率调节，是在定桨距基础上加装桨距调节环节，使桨叶可绕自身轴转动，依靠与叶片相匹配的迎风角来进行调节。变桨距发电机组的叶片相对于风向有不同的迎风角，当风速持续变化时，控制叶片的迎风角始终保持在最佳角度，从而使风力发电机组有可能在不同风速下始终保持其风轮的最佳转换效率，使输出功率最大。
3恒速恒频与变速恒频
风力发电机组的控制方式，从速度调节方式划分为恒速和变速控制。目前世界上大中型风力发电机组绝大多数采用异步发电机。因为并网后定子磁场旋转频率等于电网的频率，而异步电机的转差一般为3%～5%，所以转子本身的转速变化范围也很小，故可以称之为恒速恒频或变速恒频风力发电机。
恒速恒频发电方式只能固定运行在某一转速上才能达到最高运行效率，当风速改变时风力机就会偏离最佳运行转速，导致运行效率下降，浪费风力资源，增大风力机的磨损。采用变速恒频发电方式，可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时地调节风力机转速，使之始终运行在与该风速对应的最佳转速上，从而提高了机组发电效率，优化了风力机的运行条件。采用变速恒频发电技术后，还可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比恒速恒频发电系统更易实现并网操作及运行。
四、风力发电控制技术发展趋势
在风力发电机中运用控制技术，能够更大范围地应用风力发电技术，并缓解能源压力，降低对资源的消耗，在提升效率的同时，促进风力发电机向着智能化、现代化的方向发展。尤其是在大型风力发电控制中，可以有效降低土地资源占用，提升系统运行功率。变桨距控制技术经过不断完善创新，在实际应用中可以有效降低风力发电规模局限性，提升能源利用效率，创造更大的经济效益同时，避免对周围生态环境的污染和破坏。
结束语
总之，随着技术的不断改进，基于变桨距技术的各种变速风力发电机组已经在风电市场得到推广。变速风力发电机组的优点在不断显示出来。变速风力发电机组的可以在低于额定风速时，跟踪最佳功率曲线，使风力发电机组具有最高的风能转换效率；在高于额定风速时，增加传动系统的柔性，稳定输出功率，向电网提供安全可靠经济的电能。
参考文献：
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[2]武卫平，沈滨.发电机组控制技术的研究[J].东北电力技术，2011（5）：15-16.
[3]黄晓芳.浅谈风力发电机组控制系统软件设计[J].数字技术与应用，2012（3）：16-17.
论文作者:吴琼
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/16
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