風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率控制策略初探

徐冬青

【摘 要】隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)能源的需求越來(lái)越大，傳統(tǒng)的能源供給面臨巨大的壓力。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn)，極大地緩解了社會(huì)生產(chǎn)中的能源需求問(wèn)題。在使用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的同時(shí)通過(guò)功率控制，有效提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能的利用率。論文主要對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)做了分析，探討了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)功率控制策略。

【Abstract】 With the rapid development of social economy， people's demand for energy is increasing and the traditional energy supply is under great pressure. The emergence of wind power generation technology has greatly alleviated energy demand in social production. The utilization of wind power is improved by power control while using wind power technology. In this paper， wind power generation technology is analyzed and the power control strategy of wind power generation is discussed.

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電技術(shù)；功率控制；策略

【Keywords】wind power generation technology； power control； strategy

【中圖分類號(hào)】TM614 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）01-0166-02

1 引言

相對(duì)于傳統(tǒng)能源來(lái)說(shuō)，風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用不僅成本低，而且環(huán)保安全，最重要的是風(fēng)能是可再生能源。目前風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用主要是風(fēng)力發(fā)電。在實(shí)際工作中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)風(fēng)力的利用率是比較低的，因此專家對(duì)風(fēng)力利用率的提高技術(shù)研究一直沒(méi)有間斷。

2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)概述

2.1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)原理

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)指的是將風(fēng)能通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程就是把風(fēng)能經(jīng)由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程由風(fēng)輪實(shí)現(xiàn)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程由風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的基本原理是風(fēng)的動(dòng)能通過(guò)風(fēng)輪轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)換為電能。在這個(gè)過(guò)程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多為水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它由多個(gè)部件組成，包括葉片、輪轂、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、主軸、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等。

2.2 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)

風(fēng)能發(fā)電在近10年來(lái)已取得飛速發(fā)展，目前，全球風(fēng)電裝機(jī)容量已近4 270億MW。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)能夠得到大量的推廣與它的特點(diǎn)是分不開(kāi)的。風(fēng)能屬于可再生能源，風(fēng)力發(fā)電有充足的能源支持；風(fēng)力發(fā)電技術(shù)建設(shè)周期短以及裝機(jī)規(guī)模靈活，在風(fēng)能充足的地方可以用最短的時(shí)間建立風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施，可以用最快的速度將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為需要的電能；可靠性高和成本低使得風(fēng)力發(fā)電的推廣使用迅速提高；風(fēng)力發(fā)電在操作運(yùn)行方面也是比較簡(jiǎn)單的，而且風(fēng)力發(fā)電建設(shè)占地面積小。風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)總結(jié)下來(lái)就是能源充足，操作簡(jiǎn)單，成本低無(wú)污染。

3 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的推廣和使用，在不斷的實(shí)踐操作中，得到了越來(lái)越多的改善。將原有的風(fēng)力發(fā)電單機(jī)容量小做了調(diào)整，增大了單機(jī)容量，同時(shí)也為了不占用更多的陸地資源，將風(fēng)力發(fā)電陸地風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｉ巷L(fēng)，恒速發(fā)電機(jī)組向變速發(fā)電機(jī)組發(fā)展，有齒輪箱向直驅(qū)永磁式發(fā)展，小葉片低塔筒向長(zhǎng)葉片高塔筒發(fā)展。

3.1 單機(jī)小容量向大容量的發(fā)展

目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量雖然已經(jīng)得到了較大改善，增大了單機(jī)容量，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在很大的不足，必須有新的突破才能適應(yīng)日益增長(zhǎng)的電力需求。先進(jìn)國(guó)家的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量已經(jīng)朝著40MW的方向發(fā)展，因此應(yīng)該加快研究力度，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)力發(fā)電站，風(fēng)能的利用率將大大提高[1]。

3.2 風(fēng)力發(fā)電由陸地風(fēng)電向海上風(fēng)電的發(fā)展

目前，陸地上的風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)得到了廣泛使用，但相對(duì)來(lái)說(shuō)陸地上風(fēng)能充足的地方較少，因此風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能開(kāi)始由陸地風(fēng)能向海上風(fēng)能發(fā)展，海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃規(guī)模不斷擴(kuò)大。將風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)地建設(shè)在海邊不僅可以緩解陸地占用土地資源的問(wèn)題，而且海上的風(fēng)能更充足，可以進(jìn)行大規(guī)模、大批量的生產(chǎn)，在成本上也會(huì)降低很多。我國(guó)將在沿海地區(qū)建設(shè)大量的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)地，到2020年底，全國(guó)規(guī)劃建設(shè)總?cè)萘窟_(dá)3000萬(wàn)kW的海上風(fēng)電場(chǎng)。

3.3 風(fēng)力發(fā)電變速恒頻向變速恒頻直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)方向發(fā)展

目前風(fēng)力發(fā)電的主流是變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在可靠性和變流技術(shù)上，變速恒頻直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢(shì)。直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的使用，提高了系統(tǒng)的可靠性，全功率變流技術(shù)能夠很好地滿足低壓穿越要求。

3.4 風(fēng)力發(fā)電有齒輪箱向無(wú)齒輪箱發(fā)展

在風(fēng)力發(fā)電中有齒輪箱對(duì)風(fēng)力發(fā)電工作要求高，加工難度大，而且設(shè)備較為沉重。因此直驅(qū)式風(fēng)電技術(shù)得到迅速發(fā)展，無(wú)齒輪箱的直驅(qū)方式能有效地減少由于齒輪箱問(wèn)題而造成的機(jī)組故障，減少風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)成本，而且可靠性和效率都有較大提高。目前國(guó)際先進(jìn)的無(wú)齒輪箱直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理采用的是低速多極永磁發(fā)電機(jī)，這將會(huì)在未來(lái)受到廣泛推廣和使用。同時(shí)隨著直驅(qū)永磁式風(fēng)電機(jī)組的不斷增多，全功率變流技術(shù)得到了廣泛發(fā)展和應(yīng)用，使風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的調(diào)速范圍擴(kuò)展到0至150%的額定轉(zhuǎn)速，全功率變流技術(shù)能夠很好地滿足低壓穿越要求，可提高機(jī)組的風(fēng)能利用范圍。

3.5 小葉片低塔筒向長(zhǎng)葉片高塔筒的發(fā)展endprint

風(fēng)電葉片是風(fēng)電機(jī)組中有效捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件，葉片長(zhǎng)度隨風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的提高而不斷增長(zhǎng)。根據(jù)頂旋理論，為獲得更大的發(fā)電能力，風(fēng)力發(fā)電機(jī)需安裝更大的葉片，更高的塔筒。針對(duì)我國(guó)大多數(shù)地區(qū)處于低風(fēng)速區(qū)的實(shí)際情況，國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，風(fēng)輪葉片更長(zhǎng)、塔架更高，捕獲的風(fēng)能資源更多，目前10 MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪直徑已達(dá)190 m，陸地普遍應(yīng)用的2.5MW風(fēng)機(jī)的葉輪直徑可達(dá)120m，塔筒高度達(dá)到100m，在低風(fēng)速區(qū)域有更好的風(fēng)能利用效率。

4 風(fēng)力發(fā)電功率控制策略

4.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制

在風(fēng)力發(fā)電中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在安裝結(jié)構(gòu)上根據(jù)風(fēng)輪葉片和輪轂可以分為定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)和變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩種。定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將葉片固定安裝在輪轂上，在工作過(guò)程中，槳葉是不會(huì)發(fā)生角度變化的。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際工作中必須解決風(fēng)速變化時(shí)槳葉自動(dòng)調(diào)節(jié)功率和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制動(dòng)功能。具體表現(xiàn)在：①變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)在葉片和輪轂之間采用非剛性聯(lián)結(jié)方式，這樣葉片就可以在工作中通過(guò)節(jié)距的調(diào)整，根據(jù)風(fēng)速調(diào)整葉片和輪轂之間的角度。在實(shí)際工作中，無(wú)論風(fēng)速怎么變化，葉片與輪轂始終保持在最佳的角度，在風(fēng)力發(fā)電中可以提高輸出功率；②在風(fēng)力過(guò)大超出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的切出風(fēng)速時(shí)，就會(huì)自動(dòng)停止工作，槳葉可以在風(fēng)力機(jī)停止工作時(shí)保護(hù)風(fēng)力機(jī)不會(huì)受到損害[3]。

4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中風(fēng)力機(jī)偏航控制是非常重要的組成部分。偏航控制系統(tǒng)在工作中與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相互協(xié)調(diào)，可以保持風(fēng)輪一直處在迎風(fēng)狀態(tài)，這樣可以很大程度上提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率，同時(shí)也可以保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全。風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)分為主動(dòng)迎風(fēng)偏航系統(tǒng)和被動(dòng)迎風(fēng)偏航系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)在工作中主要是在風(fēng)力發(fā)生改變時(shí)，可以更好地調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)，讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)始終處在風(fēng)向的正前方，這樣可以最大限度地捕獲風(fēng)能，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率輸出有很大提升[2]。

4.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制

在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)功率控制中，可以通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)控制功率輸出。風(fēng)力發(fā)電機(jī)大多采用雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。雙饋異步發(fā)電機(jī)的最大好處就是可以根據(jù)風(fēng)速變化進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，這樣可以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行始終是最佳狀態(tài)，對(duì)風(fēng)能利用率的提高有很大幫助。同時(shí)，在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)控制饋入的電流參數(shù)，在保持定子輸出的電壓和頻率不變的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的分析，在實(shí)際工作中，為了更大限度提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了深入研究，同時(shí)對(duì)功率控制有了較大進(jìn)步。通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制、偏航系統(tǒng)控制以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制，在很大程度上提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率。

【參考文獻(xiàn)】

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【2】張超.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率控制策略研究[J].電子制作，2013（14）：30-30.

【3】李建偉，陳英杰.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率控制策略研究[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2012（19）.56-57.endprint