摘要：近年来，随着风力发电技术的不断发展，能源企业对风力发电技术的研究力度和应用投入也不断加强。但是，风力发电尚存在机组特性与风资源、风功率预测的匹配有待于进一步提升，以及如何在边远山区开发风资源并解决运输困难等方面问题，对风力发电技术的推广和发展产生了一定的阻碍作用。为此，本文对风力发电技术进行了较为广泛的研究，并从以下几个方面内容展开分析。
关键词：风力发电技术；功率控制；策略研究
1风力发电技术分析
1.1变速风力发电技术
变速风力发电技术可以根据风速的变化保证恒定的最佳叶尖速比，低风速时尽量获取多的风能，以保证平稳输出；高风速时及时调整风轮转速储存能量，避免功率过大。不同地区的风速大小变化不同，恒速风力发电技术只能适用于部分风速符合要求的地区，而变速风力发电技术可以适应不同的风速区，扩宽了风力发电的适用范围，推动了风力发电市场的发展。
1.2变桨距风力发电技术
从空气动力学角度考虑，当风速过高时，可以通过调整桨叶节距、改变气流对叶片攻角，改变风力发电机组获得的空气动力转矩，以保持稳定的输出功率。采用变桨距调节方式，风机输出功率曲线平滑，在阵风时，塔筒、叶片、基础受到的冲击较失速调节型风力发电机要小，可减少材料使用率，降低整机重量。
1.3定桨距失速风力发电技术
定桨距风力发电机迈入风力发电市场是在20世纪80年代中期，其研制成功解决了发电机组的并网问题，运行安全可靠。定桨距风力发电机组的特点是桨叶与轮毂固定连接，在风速发生变化时，桨叶的迎风角度不发生变化结合桨叶翼型本身的失速特性，在风速高于额定值时，气流的功角就会达到失速状态，可使桨叶的表面的表面产生紊流，使发动机的效率降低来达到限制功率的目的，风力发动机的这一特性控制发电系统安全可靠，但是为了达到限制功率的目的，导致叶片重，机组的整体效率较低，所以说当风速达到某一限度时必须要停止使用。
2风力发电技术的功率控制策略分析
2.1风速控制策略
（3）风速控制的基本原理。
在调整风速的基础上实现对风力机输出功率的控制，其基本原理是：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。实行风速控制策略，能够按照风速的实际大小，选取相应的控制方式，能够提高风力机的最大输出功率，为风力机的稳定、可靠运行提供了重要保障。
图1变桨控制流程图
（3）风速控制的具体流程。在采用变桨控制风速时，一般可通过以下步骤进行。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
（三）风向标与功率控制的基本原理。在调整风向标和输出功率的基础上对风力机偏航的控制，其基本原理是：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。
（2）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结语
风力发电作为我国能源电力发展的新兴产业，为实现能源电力行业的可持续发展及环境保护发挥着十分重要的作用。近年来，随着风力发电技术的不断发展，我国风力发电规模也在不断扩大，其在应用过程中不可避免地会产生一系列技术问题，这与相关技术人员的专业水平、能源政策的建立及完善、社会经济的发展有着密切的关系。
参考文献：
[1]张迪.电网故障情况下双馈风力发电系统直接功率控制策略研究[D].燕山大学，2015.
[2]尹强.风力发电技术的发展及若干问题[J].中国科技投资，2013（26）：78.
论文作者:李腾飞1,戴晓亮2,黄文3
论文发表刊物:《电力设备》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/15
标签：风速论文; 功率论文; 风力发电论文; 桨叶论文; 技术论文; 偏航论文; 风向论文; 《电力设备》2017年第20期论文;