風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)應(yīng)用研究

張宏進(jìn)

摘? 要：近年來，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展以及國(guó)民生活水平的進(jìn)一步提高以及人們環(huán)境意識(shí)和清潔能源意識(shí)的增強(qiáng)，各地開始了對(duì)清潔能源的研發(fā)，并建立起大型的風(fēng)能發(fā)電站，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。因此，該文主要闡釋了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的工作原理以及風(fēng)力機(jī)最佳運(yùn)行原理，并在此基礎(chǔ)上提出了調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的3種方式，最后對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng);工作原理;控制技術(shù);調(diào)節(jié)方式

中圖分類號(hào)：TM614? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

19世紀(jì)70年代以后，人類開始進(jìn)入二次工業(yè)革命，人類社會(huì)也開始進(jìn)入電氣時(shí)代，電力得到了廣泛應(yīng)用，并取代了蒸汽成為工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活的主要能源，給人類社會(huì)的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和生活方式帶來了巨大的改變。隨著發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在我國(guó)得到了普遍應(yīng)用，而風(fēng)力發(fā)電過程中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)是促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重要基礎(chǔ)和影響因素，但是，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類生活對(duì)電力需求的增大，我國(guó)原有的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)已無法滿足現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的高要求，阻礙了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

風(fēng)力發(fā)電主要是利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，它是新型清潔能源開發(fā)后最為重要且效果顯著的發(fā)電方式。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組件主要包括了葉輪、發(fā)電機(jī)、變流器等。其中，葉輪的主要作用是收集風(fēng)能后將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后通過風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)將其轉(zhuǎn)化為電能且電流為交流電;經(jīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化的交流電又通過變流器轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)電壓相同的交流電，最后通過變壓器并入電網(wǎng)運(yùn)行。其工作原理圖如圖1所示。

2 風(fēng)力機(jī)最佳運(yùn)行原理

通過相關(guān)研究后可知，影響風(fēng)力機(jī)最佳運(yùn)行的主要原因有3個(gè)：一是葉輪收集的風(fēng)能;二是發(fā)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行功率;三是發(fā)電機(jī)對(duì)風(fēng)速的反饋效率。通過分析動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)可知，風(fēng)力機(jī)葉輪收集的風(fēng)能轉(zhuǎn)換后的機(jī)械輸出功率（P）可用以下公式表示：

在公式（1）和（2）中，各變量的表達(dá)含義見表1。

在公式（1）中可以得到以下結(jié)論：1）如果風(fēng)速（V）固定，風(fēng)輪的吸收功率（Pr）與風(fēng)輪的半徑（R）呈正相關(guān)關(guān)系，即當(dāng)風(fēng)輪的半徑越大，風(fēng)輪吸收的功率也越強(qiáng)。但是，如果風(fēng)輪的半徑過大，不僅會(huì)增加風(fēng)輪的成本，還會(huì)加大風(fēng)輪安裝的難度。2）如果風(fēng)輪的半徑（R）為固定值，風(fēng)輪的吸收功率（Pr）與風(fēng)速（V）呈正相關(guān)關(guān)系，即當(dāng)風(fēng)速越大時(shí)，風(fēng)輪的吸收功率越大。所以，為了提高風(fēng)輪的吸收功率，要盡可能地將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)安裝在高度較高的區(qū)域，這是因?yàn)?，同一個(gè)地方，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的位置越高，風(fēng)輪的風(fēng)速也就越大。3）發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)輪的吸收功率（Pr）與風(fēng)輪的葉片數(shù)量無關(guān)，但是卻與發(fā)電機(jī)系統(tǒng)周圍的空氣密度（ρ）呈正相關(guān)關(guān)系。4）通常情況下，風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)（Cp）不可作為常數(shù)，且最大值為0.593，但卻會(huì)因?yàn)轱L(fēng)速（V）、風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度（ω）以及槳距角（β）的改變而發(fā)生變化。

2.1 變槳距調(diào)節(jié)

變槳距調(diào)節(jié)主要是在定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)上通過調(diào)節(jié)葉輪葉片的攻角對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)功率超出額定功率時(shí)，槳距角（β）開始朝著風(fēng)力較小的一面轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，此時(shí)槳距角（β）與攻角（α）呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行后，變槳距機(jī)組運(yùn)行時(shí)通過控制葉輪的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的調(diào)節(jié)。

2.2 主動(dòng)失速調(diào)節(jié)

主動(dòng)失速調(diào)節(jié)是變槳距調(diào)節(jié)與定槳距失速調(diào)節(jié)的有機(jī)結(jié)合。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)速較低時(shí)，需要使用變槳距調(diào)節(jié)的方式對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而不斷提高風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)效率;當(dāng)風(fēng)力機(jī)的功率到達(dá)額定功率時(shí)，通過槳距失速調(diào)節(jié)方式讓槳距角（β）朝著風(fēng)力較小的一面轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，此時(shí)攻角（α）開始增大，并加深了葉輪葉片的失速性，風(fēng)力機(jī)收集風(fēng)能的能力下降，從而穩(wěn)定的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率。

3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)常用于陸地發(fā)電建設(shè)以及海上風(fēng)力發(fā)電建設(shè)。但是，在陸地發(fā)電建設(shè)的過程中，由于社會(huì)的用電需求量不斷地增加，導(dǎo)致陸地發(fā)電站的規(guī)模不斷擴(kuò)大，占用了大量的土地資源。并且，有大部分的陸地發(fā)電站距離城市較近，陸地發(fā)電的功能容易受到城市高大建筑物的影響，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)不能夠發(fā)揮最佳狀態(tài)，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電效率低下，經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)且造成了土地資源浪費(fèi)?？墒?，隨著我國(guó)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)電力專家開始將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)應(yīng)用于海上風(fēng)力發(fā)電建設(shè)領(lǐng)域中。海上不同于陸地，它的風(fēng)力資源更加豐富，并且，通過上文風(fēng)力機(jī)最佳運(yùn)行原理的研究可知，葉輪收集的風(fēng)能是影響風(fēng)力機(jī)最佳運(yùn)行的原因之一，如果在海水較淺的區(qū)域建設(shè)海上風(fēng)力發(fā)電站，風(fēng)力機(jī)所能收集的風(fēng)能遠(yuǎn)大于內(nèi)陸，風(fēng)力發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的功率大約是陸地的1.5倍。但是，由于海上風(fēng)力發(fā)電站的建設(shè)成本過高，且海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的應(yīng)用還不成熟，存在著一些缺陷，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究。

4 結(jié)論

綜上所述，隨著國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)的儲(chǔ)存能源也在不斷減少，環(huán)境也遭受到了一定程度的破壞，能源和環(huán)境問題日益突出，也越來越受到大家的關(guān)注，而風(fēng)能作為我國(guó)的清潔能源之一，將其應(yīng)用于發(fā)電技術(shù)中，遵循了我國(guó)綠色可持續(xù)發(fā)展理念，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也成了我國(guó)最為常見的發(fā)電技術(shù)之一。目前，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電主要有陸地風(fēng)力發(fā)電和海上風(fēng)力發(fā)電2類，給我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人類生活提供了所需的電力。但是，由于我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)還存在著較大缺陷，導(dǎo)致我國(guó)風(fēng)力發(fā)電效率較低，極大地影響了我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。所以，為了提高我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，必須要加強(qiáng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的研究。

參考文獻(xiàn)

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