摘要：风能源是一种新型能源，将其利用到发电过程中，能够达到节约不可再生资源的目的，是资源节约与环境保护的主要体现，但需要注意的是，受气温、气压以及环境等各方面因素的影响，风力发电的可靠性相对较差，对此，将电气控制技术应用其中能够达到解决这一问题的目的，对发电可靠性的提高十分有利。
关键词：风力发电；控制技术；问题；发展
前言
电气控制技术指的是在先进技术的指导下，所实现的一种对多项设备的运行情况进行控制的技术。风力发电是一种主要的发电形式，是可持续发展理念的主要体现。本文在分析了电气控制技术的前提下，对风力发电过程中存在的问题进行了阐述，并强调了问题的存在对发电过程带来的严重影响，以此为基础，提出了风力发电电气控制技术的应用以及发展策略，希望能够为问题的解决提供帮助。
1 风力电气控制技术概述
就目前的情况看，这一技术已经被应用到了包括电厂等各领域当中。以风力发电为例，相对于火力以及水力发电等，风力发电受自然环境影响严重，一旦气压以及空气温度等发生了变化，其发电过程也会受到影响，因此可以说，其发电过程具有不稳定性[1]。为了提高风力发电效率，我国已经对发电机组的叶片直径进行了改良，一定程度上使得发电效率得到了提高，但鉴于风力发电所面临的自然环境的恶劣性，想要使发电过程能够更加顺利的实现，还必须加强对整个运行过程控制，这样才能达到更好的控制效果[2]。电气控制技术的出现为控制过程的实现提供了途径，将其应用到风力发电过程中，已经成为了该领域发展的必然环节。
2 风力发电过程中存在的问题
风力发电对于能源节约以及环境保护的重要性不言而喻，但受自然环境等多种因素的影响，其在运行过程中仍存在一定的问题，主要体现在以下方面[3]：
2.1 电网质量得不到保证
风力发电具有一定的不稳定性，这是导致电网质量得不到保证的主要原因。显而易见，风力发电主要是通过对风资源的利用而实现发电的过程，风资源本身具有很大的不稳定性，其速度以及方向均不固定，因此，若无法对其进行合理的控制，在上述两方面因素发生变化时，电力负荷以及电能均会产生一定的变化，如变化过大，超过了电网所能够承受的范围，电网质量便会受到影响。
2.2 风力发电系统构成情况复杂
受技术水平等因素的影响，目前我国风力发电系统的构成情况以及动态特性都十分复杂。作为两种主要系统模型，线性模型与非线性模型在风力发电过程中均有所应用，但由于两者在功能的发挥以及对于环境的要求方面有所不同，因此采用传统的技术手段，统一对其进行技术控制，必定无法充分满足两种模式下风力发电系统的运行需求，由此可见，将新的控制技术应用到系统中已经开始变得尤为必要。
3 风力发电电气控制技术的应用
风力发电电气控制技术主要包括变速风力发电技术、变桨距风力发电技术、主动失速风发电技术以及定桨距失速发电技术四种，四种技术分别凭借不同的原理而实现，主要体现在以下方面：
3.1 变速风力发电技术
通常情况下，风力发电机在运行过程中其速度均保持平衡与稳定，针对这一特点，一旦自然界中的风速发生了变化，其运行情况以及发电频率便会受到影响。变速风力发电技术的应用能够使上述问题得到有效解决。在这一技术的基础上，发电机的转速能够根据风速的代销做出调整，在风速较大时，为了避免功率过大而引起电网的损坏，发电机能够根据风速情况自行实现转速调整，进而使功率得以平衡。我国国土面积较大，采用这一技术能够有效的适应不同地区的不同风速情况，因此，将其应用到风力发电过程中很有必要。
3.2 变桨距风力发电技术
变桨距风力发电技术的原理在于通过对桨叶角度的调整，实现对较大的功率的调整，相对于其他电气控制技术而言，这一技术的应用所使用的材料整体重量较轻，因此即使发生外力影响，其所受到的危害也相对较小，对于风力发电持续性的保证能够起到一定效果。但该技术同样具有缺陷，主要体现在对成本要求高这一方面。从长远的角度看，在未来，随着对该技术科研力度的加大，其成本必定能够得到有效的减少，同时其应用范围也必定能够得到扩大。
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3.3 定桨距失速发电技术
定桨距失速发电技术是在传统风力发电技术的基础上发展起来，通过对叶片结构的改良，实现对功率的控制的一种技术。在将其应用到实际风力发电过程中后发现，该技术能够达到有效控制功率的目的，但基于其本身叶片重量的影响，该技术下风力发电的整体效率却无法得到保证。变桨距风力发电技术是对定桨距风力发电技术的改良，解决了其中存在的桨叶重量过大的问题。
3.4 主动失速发电技术
为解决定桨距失速发电技术中存在的风力发电效率不高的问题，并解决变桨距失速发电技术中存在的对成本要求过高的问题，主动失速发电技术出现。在综合考虑上述两种技术的优势的基础上，主动失速发电技术对两者的优势进行了继承，并对其缺陷进行了优化与改良，最终使得两种技术下存在的缺陷得到了解决。总的来说，该技术的原理在于根据桨距角在不同情况下的变化去控制风能的捕获量以及速度，理论上看，具有较高的应用价值，但从实践的角度看，其很容易造成更加严重的失速，最终使得功率脱离控制，而对整个电网的运行造成不良影响。解决上述技术存在的缺陷是未来风力发电领域必须研究的主要内容。
4 风力发电电气控制技术的发展
控制技术是风力发电机组安全高效运行的关键技术，这是因为：
（1）自然风速的大小和方向随着大气的气压、气温和湿度等的活动和风电场地形地貌等因素的随机性和不可控性，这样风力机所获得的风能也是随机和不可控的。
（2）为使风能利用率更高，大型风力发电机组的叶片直径大约在60～100m之间，因此风轮具有较大的转动惯量。
（3）自动控制在风力发电机组的并网和脱网、输入功率的优化和限制、风轮的主动对风以及运行过程中故障的检测和保护中都应得到很好的利用。
（5）风力资源丰富的地区通常环境较为恶劣，人们希望分散不均的风力发电机组能够无人值班运行和远程监控。这就对风力发电机组的控制系统可靠性提出了很高的要求。因此，众多学者都致力于深入研究风力发电的控制技术和控制系统，这些研究工作对于风力发电机组优化运行有极其重要的意义。计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，并网运行的风力发电控制技术得到了较快发展，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展，甚至向智能型控制发展。
定桨距型风力机指桨叶与轮毂的连接是固定的，即桨距角固定不变，当风速变化时，桨叶的迎风角度固定不变。失速型是当风速高于额定风速，利用桨叶翼型本身所具有的失速特性，即气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，将发电机的功率输出限制在一定范围内。失速调节型的优点是简单可靠，当风速变化引起输出功率变化时，只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不做任何控制，使控制系统大为简化。其缺点是叶片重量大，桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低，也使得这些关键部件更容易疲劳磨损。
变速恒频风力发电机组是近年来发展起来的一种新型风力发电系统，其转速不受发电机输出功率的限制，而其输出电压的频率、幅值和相位也不受转子转速的影响。与恒速风电机组相比，它的优越性在于：低风速时能够跟踪风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速时利用风轮转速的变化调节风力机桨距角，在保证风电机组安全稳定运行的同时，使输出功率更加平稳。变速恒频风力发电机组通过励磁控制和变桨距调节来实现最佳运行状态。变桨距是根据风速和发电机转速来调整叶片桨距角，从而控制发电机输出功率，由传动齿轮箱、伺服电机和驱动控制单元组成。随着风电控制技术的发展，当输出功率小于额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用OptitiP技术，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比，以得到理想的输出功率。变桨距风力发电机组的优点是：输出功率平稳，在额定点具有较高的风能利用系数，具有更好的起动性能与制动性能，能够确保高风速段的额定功率。
结束语
我国风电的技术标准和规范不健全，包括风机制造、检测、调试、关键零部件生产及电场入网等相关标准亟需建立和完善。因此，展望我国未来的风电产业发展，必须加强自主创新掌握核心技术；必须加大电网建设力度，合理规范风电开发；必须加大政策扶持力度，建立健全完善统一的风电标准规范体系。
参考文献：
[1]张建军风力发电电气控制技术及应用实践..2014.3
[2]刘彦东.风力发电现状及对策.2015.7
[3]王惠.风力发电电气控制技术及应用实践探析.2015.5
[4]马重芳新能源技术的发展及应用..2013.4
[5]杨民.研究分析风力发电及其技术发展.2014.10
论文作者:李俊峰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/12
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