关键词：风力发电；技术；功率控制
前言
我国的社会经济在飞速的发展，人们的用电量以及带来的用电负荷在逐渐的增加，电能开发逐渐得到了关注，风力发电是电力在发展过程中的重要部分，对促进电能源行业的良好发展有着积极的意义。近几年，风力发电技术也实现了极为迅速的发展，同时，风力发电具备节能环保的优势，使其成为了未来发电行业务必要高度重视的技术。
1风力发电原理
风力发电的主要原理是利用风力产生的动能带动风车叶片旋转，然后再利用增速机将风车旋转的速度提升上来，最终由风车通过电磁效应将动能转化为电能。根据目前的风电技术，只需要利用每秒三公尺（速度）的微风便可以实现发电。把风能转化为电能是当前风能利用中较为基本的一种方式，一般的风能发电机主要包括风轮、发电机、塔架、尾翼调向器、储能装置等构件。风中蕴含的能量巨大，据相关研究得知，当风速在10m/s时（大约为5级风），其吹到物体表面的作用力约为10kg，当风速在20m/s时（大约为9级风），其吹到物体表面形成的作用力大约为50kg，如果风速是在50m/s以上的飓风、台风，其吹到物体表面产生的作用力至少在200kg以上。所以说，风中蕴含的能量比我们当前所能控制和利用的能量要大上很多，若我们能够合理开发并利用风能，其将给我们的发展和生活带来诸多便利。
2风力发电技术现状
在第二次工业革命完成之后，北欧地区出现首个现代风力发电机，而直到上世纪80年代，风力发电机组的电气控制才能够实现。近几年，全球风力发电迈入飞速进步推广时期，在褪去技术上的稚嫩，突破使用上的桎梏后，欧美各国不断颁布可持续能源奖励机制，促使目前风力发电行业生机勃勃，其前景不可估量。美国和加拿大是西半球的发达国家，雄厚的资金实力和新鲜的奖励刺激使其成为风能利用最佳的地方。美国各州有6成以上开始利用风能资源，其风力发电的总装机容量可以供应160万个中等家庭的日常用电。
西班牙在本土安装的风电机组，配置中速齿轮箱和永磁同步发电机及全功率变流器，可以使机组低功率运行，提高利用率；配置多变量控制系统配合独立叶片变桨控制，能够降低机组荷载，延长服务寿命。美国制造巨擘GE推出的机型使用最新的功率变流器结构，在控制上研发出“动态无功控制（Wind-VAR）”，能向电网提供无功并稳定电压。欧洲发展和应用全功率变流并网技术，提高风能利用范围，改善电能质量。
站在控制和运行这两个角度看风电技术的进展，能把风力发电系统分成变速恒频和恒速恒频。恒速恒频风力机在风电发展起始阶段多为使用，其定桨距角的控制策略造成的低利用率已成为最大短板，不能匹配目前的风电产业进程。由此，更加先进的变速恒频系统（VSCF，Variable Speed Constant Frequency）诞生。另外，变速恒频系统能采用脉宽调制技术（Pulse Width Modulation，PWM），此时不仅能够增强开关的使用寿命，而且可以提高风能的使用效率。
风力的随机和不可控和电网严格要求的安全运行在本质上是矛盾的。由此，在目前和未来的设计规划中，应该通过分析风电电源特性、预测评估风电对电网的影响，全面提升既有电网的风电接纳能力，促使此矛盾在安全运行的界线内实现最佳调解。
3风力发电技术的功率控制策略分析
3.1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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆风速控制的具体流程如下：
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。
3.2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。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。
3结束语
随着技术的不断发展，人们对风力发电的需求逐渐增加，其应用也越来越广泛，经过几千年的发展，已经改变了传统的发电模式，风力发电已成为一种最好的模式。但是相应的风力发电技术也应该同步提高，以提供更好的技术支持，在我国已经具备风力发电的环境，随着技术的不断发展，我国的风力发电得到了快速发展，逐渐推动者世界的发展。
参考文献:
[1]于婷婷.刍议风力发电的发展现状及趋势[J].现代工业经济和信息化,2017,7(20):37-39.
[2]张扬.风力发电技术概述[J].信息记录材料,2017,18(06):9-10.
[3]李武东.谈风力发电电气控制技术及应用实践[J].科技与创新,2017(18):147+150-151
[4]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）
论文作者:杜敏
论文发表刊物:《中国电业》2019年15期
论文发表时间:2019/11/20
标签：风速论文; 功率论文; 风力发电论文; 技术论文; 风能论文; 风向论文; 偏航论文; 《中国电业》2019年15期论文;