摘 要 與石化能源相比，風能資源具有清潔環(huán)境、分布廣泛、開再生、蘊藏量大、開發(fā)成本低等優(yōu)點，因此該能源形式越來越受到世界各國的青睞。我國是風能資源蘊藏量大國，同時我國也擁有比較先進的風力發(fā)電技術(shù)，可見隨著時代的進步，我國風電裝機容量必將達到較高水平。文章主要探究風力發(fā)電技術(shù)及風力發(fā)電機組功率的控制措施，以提高我國風力發(fā)電技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞 風力發(fā)電技術(shù)；風力發(fā)電機組；功率控制

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）04-0003-02

1 風力發(fā)電技術(shù)

風力發(fā)電技術(shù)是一種將風能轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)，其中風力發(fā)電機組起著決定性的作用。我國是一個風能資源蘊藏量大國，因此集中力量開發(fā)風能資源已成為我國新能源開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，甚至已制定出2020年風電發(fā)展目標（8.0*1010W）。隨著時代的發(fā)展，我國風力發(fā)展技術(shù)也呈現(xiàn)出應(yīng)有的發(fā)展態(tài)勢，例如風電機組單機容量向大容量方向發(fā)展、風電場向海上風電方向發(fā)展、風力發(fā)電機組運行方式向變槳及變頻恒頻方向發(fā)展、風力發(fā)電機向無齒輪箱直驅(qū)式方向發(fā)展等。本章節(jié)主要針對后兩項內(nèi)容展開論述，以探明我國風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢。

1.1 風力發(fā)電機組運行方式向變槳、變頻恒頻方向發(fā)展

與風力發(fā)電機組的恒速運行方式相比，變速運行方式允許根據(jù)風速的變化情況對風力機的轉(zhuǎn)速進行實時調(diào)節(jié)，如此確保風力發(fā)電機始終保持最佳的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，進而實現(xiàn)風能捕獲量最大化，可見風力發(fā)電機組采取變速運行方式體現(xiàn)出生產(chǎn)成本低、風能捕獲量大、風速適應(yīng)性好、機械應(yīng)力低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。除此以外，變槳距比定槳距更優(yōu)，即變槳距對穩(wěn)定機組輸出功率、增強機組起動性能、控制機組結(jié)構(gòu)受力載荷至關(guān)重要，同時若切出風速比風速高，那么經(jīng)槳葉順槳亦能對風機起到保護作用，進而延長風機的使用壽命。然而上述發(fā)展舉措尚待完善，因為變槳裝置的增加勢必增加故障的概率，同時導致控制程序復(fù)雜化。

1.2 風力發(fā)電機向無齒輪箱直驅(qū)式方向發(fā)展

與有齒輪箱相比，無齒輪箱直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機要求發(fā)電機軸與葉輪軸直接連接，如此直接省去增速齒輪箱的舉措對實時改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速及輸出交流電的頻率起著重要作用，同時也體現(xiàn)出風力發(fā)電系統(tǒng)高效率及高可靠性的特點。無齒輪箱直驅(qū)式風力發(fā)電機作為國際一流風力發(fā)電機，其主要借助低速多極永磁發(fā)電機及全功率變頻器來實現(xiàn)風電到電網(wǎng)的過程。實踐證實，直驅(qū)式風力發(fā)電機的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的高效率及高可靠性，因此具有較大的應(yīng)用前景，同時永磁電機也表現(xiàn)出能量密度大、運行效率及可靠性高、造價越來越低的特點，因此此類發(fā)電機必定長時間占據(jù)國際市場。

2 風力發(fā)電機組功率的控制措施

由前文可知，風力發(fā)電機組對實現(xiàn)風力發(fā)電起著決定性的作用，因此嚴格控制風力發(fā)電機組的功率非常必要。風力發(fā)電機組功率的控制包括風力發(fā)電機變槳距及風力發(fā)電機偏航的控制，而常用的控制方法包括基于風速的輸出功率控制法及基于風向標與輸出功率的偏航控制法。本文結(jié)合有關(guān)理論依據(jù)，著重介紹基于風速的輸出功率控制法，以探究變槳距的詳細控制流程。

基于風速的輸出功率控制法是指當風速的波動值介于額定風速與切入風速間時，通過控制變速的方式來獲取最佳功率曲線及最大功率，同時當風速波動值介于切出風速與額定風速間時，通過控制變槳距的方式來調(diào)整槳葉槳距角，直至額定功率始終保持恒定狀態(tài)。根據(jù)上述定義可知，基于風速的輸出功率控制法要求根據(jù)實時風速選用最佳的控制手段，如此實現(xiàn)輸出功率及風能利用效率最大化，及提高風力發(fā)電機運行的可靠性、穩(wěn)定性（見圖1）。除此以外，上述定義同時也體現(xiàn)出基于風速的輸出功率控制主要是指對變槳的控制。

如圖1所示，變槳控制的實現(xiàn)包括五大步驟，下文對此進行簡單介紹。

備注：V-風速；P-功率；P*-功率給定值；λ-尖速比；λopt-最優(yōu)尖速比；ω-風輪角速度；ω*-風輪角速度給定值；n-齒輪箱傳動比；R-風輪半徑；β-槳距角；CP-風能系數(shù)。

圖1 基于風速的功率控制流程圖

第一步：風力發(fā)電機組并網(wǎng)施工以后，對控制系統(tǒng)進行初始化處理，注意槳距角β取0，同時對風速的實時情況進行判斷。

第二步：若切入風速>風速，那么風力發(fā)電機沒有任何動作。

第三步：若風速波動值介于額定風速與切入風速間，那么應(yīng)該隨即實施變速控制，即根據(jù)轉(zhuǎn)速信號（源自轉(zhuǎn)速傳感器），經(jīng)DSP控制器完成驅(qū)動信號的傳送，此時再經(jīng)齒輪箱完成發(fā)電機轉(zhuǎn)速ω的調(diào)節(jié)，同時再與給定值ω*進行比較，如此形成完整的閉環(huán)反饋自動控制系統(tǒng)，以獲取最佳功率曲線、最佳風能系數(shù)CP-max（CP（λopt，0））及最大功率Pt（1/2ρπR2（λopt，0）λ3）。

第四步：若額定風速<風速及切出風速>風速，那么應(yīng)隨即停止變速控制器繼續(xù)動作及開始變槳距控制器動作，即比較功率給定值P*與功率信號P（源自功率傳感器）以后，再經(jīng)DSP控制器完成驅(qū)動信號的傳送，以此促使液壓變槳距機構(gòu)發(fā)生動作來實現(xiàn)對槳葉槳距角的波動范圍進行調(diào)節(jié)，進而獲取處在變化狀態(tài)的風能系數(shù)CP（λ，β），由此通過構(gòu)建完整的閉環(huán)反饋自動控制系統(tǒng)來維持額定功率的恒定狀態(tài)。

第五步：若切出風速<風速，那么應(yīng)隨即開始風力發(fā)電機液壓剎車機構(gòu)動作及停止風力發(fā)電機動作，同時從電網(wǎng)中切出風力發(fā)電機組。

3 結(jié)束語

隨著風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風力發(fā)電機組的單機容量持續(xù)增加，同時風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢相當樂觀，此外風能的規(guī)?；_發(fā)也逐漸被提上日程，以此實現(xiàn)風力利用的可靠性及高效率。結(jié)合本文研究內(nèi)容可知，若想實現(xiàn)風能的規(guī)?；_發(fā)，除高度關(guān)注風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢以外，也應(yīng)該重視風力發(fā)電機組功率的控制，特別應(yīng)加強對某些新型控制方法的研究，如此提高風能規(guī)?；_發(fā)的安全性、高效性、可靠性。

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作者簡介

趙強（1978-），男，陜西渭南人，助理工程師，本科，研究方向：風力機運行管理與維護。endprint