摘要：风力发电是一项新型的发电方式，既清洁环保又绿色经济，伴随全球能源紧缺形势的日益严峻，新能源开发与利用得到了越来越多的重视。风力发电技术不断发生，对风力发电技术及其功率控制策略开展研究有着十分重要的现实意义。
关键词：风力发电技术；功率控制；策略
1 风力发电技术
1.1 定速风力发电
该发电技术主要借助双速感应发电机实现发电。在发电系统中，低风速区域使用功率较小的低速感应发电机，而高风速区域使用功率较大的高速感应发电机。如果实际风速超过了额定限度，则可通过叶片失速有效降低风能的使用系数，进而确保功率稳定。由于风机无法伴随风速的变化而变化，并且风能的使用系数还与最大值有一定偏差，无法充分利用风能，所以风机经常在低效状态下运转。
1.2 变速风力发电
（1）双馈感应风力发电
对于双馈感应系统而言，其主要在一个相对有限的范围内进行工作，这一工作范围和系统变换器设计有一定关联，变换器的实际容量在额定功率 20%-30%范围内，具有良好的经济优势。然而，从风力发电角度讲，要求在电网产生故障以后，可立即实现低电压的快速穿越，而发电系统因此会产生较大的电流峰值，为确保系统安全，应采取适宜的保护机制。
（2）全功率变换器结合增速齿轮箱风力发电
该发电技术主要使用全功率变换器来完成变速，发电机的可选对象较多，如永磁发电机和同步发电机等，借助齿轮箱即可实现和风机之间的连接，而发电机可采用变换器和电网进行连接。鉴于电网产生故障后需进行低电压穿越的要求，采用这一发电技术更易实现，而且还具有相对较好的可操控性。
2风力发电技术的功率控制策略分析
2.1风速控制策略
在切入风速与额定风速之间的风速发生变化的情况下，通过控制变速来对最佳功率曲线进行追踪，以实现最大功率的获取。在切出风速与额定风速之间的风速发生变化的情况下，通过控制变桨距来对桨叶桨距的角度变化进行调节，以确保额定功率恒定。风速控制的具体流程如下：
图1变桨控制流程图
首先，应在风力发电机组成功并网时，对整个系统进行初始化，并将桨距角β初始值设定为0，对此时风速大小进行判断。其次，判断风速与切入风速数值，若风速≥切入风速，则风力机开始动作。此时分三种情况考虑：一是在切入风速与额定风速之间的风速发生变化的情况下，确定采用变速控制的方式进行，可结合转速信号与驱动信号，经齿轮箱对发电机转速进行调节，并与发电机转速给定值进行比较，由此形成一个可用于追踪最佳功率曲线变化的闭环反馈自动控制系统。实现对最佳风能系数的获取，此时CP-max=CP（λopt，0）；进而可通过Pt=1/2ρπR2CP（λopt，0）λ3完成对最大功率的获取。二是在额定风速＜风速＜切出风速的情况下，停止运行变速控制器，变桨距控制器则开始动作，并结合功率信号及其给定值进行比较，通过DSP控制器发出驱动信号，由此促使液压变桨距机构开始动作，并完成对桨叶桨距角幅度变化的调节[CP（λ，0）]，由此形成一个闭环反馈自动控制系统。最后，对风速＞切出风速进行考虑。在此环节中，开始运行风力机液压刹车机构，并对风力机进行工作终止，完成切出电网步骤。具体如图1所示。其中，λopt表示最优尖速比；ω表示发电机角速度；ω*表示发电机角速度给定值；P*表示功率给定值；β表示桨距角。
2.2风向标与输出功率控制策略
在风向变化绝对值低于15°的情况下，通过调整风向标来实现偏航控制；在风向变化绝对值为15°或是超过15°时，通过调整功率来实现偏航控制。由于输出功率通常会受到风向、风速变化的影响，使得功率偏航控制的方式往往只在风向变化的条件下进行，而将风速变化当成干扰信号不作考虑。风向标与功率控制的具体流程如图2所示。其中，Vd表示风向；P为中间变量；Pmax*表示功率给定最大值；Pf表示瞬时功率反馈值；ΔP*表示功率差值给定值；θ表示偏航电机旋转角度；ΔP1（即P1max*-P）表示风速、风向功率变化值；ΔP2（即Pf-P）表示风速、风向功率变化值。具体步骤如下：
首先，在风力发电机组成功并网后，对偏航控制系统进行初始化，以及对风向大小进行判断。其次，判断风向变化Vd的绝对值大小，若Vd＞15°，则直接转到A处控制风向标，并由DSP控制器将偏航电机启动，由其带动位于机舱和塔架之间的回转支承，再由回转支承实现机舱旋转。完成后进入对风阶段。对风直至Vd≤15°停止，并在偏航电机旋转5°的基础上，再进行3°左右偏航，以开始功率控制。判断ΔP1变化值。如果ΔP1＞ΔP*，那么在原方向上继续采用偏航控制，否则回到初始位置，并退出偏航控制。
如果出现Vd≤15°，且ΔP1≤ΔP*的情况，那么退回初始位置，且不进行任何操作。反之，在Vd≤15°的情况下，将偏航电机作逆时针旋转（约5°），进入B部分，并对功率变化情况进行判断。如果ΔP1-ΔP2≤0成立，那么表示偏航方向未发生错误，可在原方向上进行功率控制，以此来实现偏航控制。反之，则表示风速变化是导致功率变化的因素，停止偏航电机旋转，并从C部分进入D部分，并执行结束偏航控制命令。
图2偏航控制流程图
3结束语
通过研究，可以看出风能作为清洁能源，受到了相关企业的高度重视。而技术水平的发展也让风力发电技术和功率控制技术不断成熟，发展方向也朝着智能化发展。未来的技术研究的主要目标仍然是如何提升风能使用过程中的效率和稳定性，特别是海上的风能，其利用价值会更加显著。
参考文献：
[1]风力发电机及风力发电控制技术分析[J].郭海涛.民营科技. 2016（04）
[2]尚磊.双馈异步风力发电系统改进直接功率控制策略研究[D].浙江大学，2011.
作者简介：
胡倩（1986.4.9），性别：女；籍贯：山东；民族：汉；学历：硕士研究生、硕士；职称：中级工程师；职务：电气设计工程师；研究方向：电力系统及其自动化；单位：聚合电力工程设计（北京）股份有限公司。
论文作者:胡倩
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/17
标签：风速论文; 功率论文; 风力发电论文; 变换器论文; 发电机论文; 风向论文; 偏航论文; 《电力设备》2017年第33期论文;