探讨风力发电控制技术

李冰峰

摘 要：为适应我国风力发电市场的快速发展，亟待探索和研究各种风力发电的新技术。本文简要探讨了几种风力发电控制技术。

关键词：风力发电 变桨距风力发电技术 主动失速/混合失速发电技术

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（a）-0110-01

随着社会的不断发展，世界能源结构也在逐步变化，即由“矿物能源系统”转变为“以可再生能源为基础的可持续能源系统”。可再生能源是在自然界可以循环再生的资源，如太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等都是其中的典型代表，其是与人类共存的能源，可谓取之不尽、用之不竭。风能是可再生资源中应用较为广泛的一种，目前其主要应用于发电。实际上风能的使用历史比较悠久，一开始人们主要将其用于抽水，磨面等，随着社会的不断进步和发展，其主要被用于发电。研究发现，风力发电发展前景广阔，其发电成本与常规电力基本接近，因此其逐渐受到世界各国的重视，对于其研究也逐渐深入。根据相关调查显示，全世界的风能总量约1300亿千瓦，中国的风能总量约16亿千瓦，因此我们应不断加强风力发电技术的探索和实践，以为我国的经济发展提供能源保障。

风能是一种可再生、永不枯竭、无污染且储量巨大的能源，其属于自然能源的范畴，风能的利用相对而言比较简单，其不同于煤、油、然气等，需要先从地下采掘出来再进行二次加工；不同于水能，必须建造坝以推动水轮机运转；也不同于原子能的利用，需耗费大量的成本与技术研发力量。风力发电具有较为稳定的发电成本，对环境污染小，因此其发展前景较为广阔。尤其是对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，根据当地的实际情况合理利用风力发电，具有重要的现实意义。本文就风力发电控制技术做简要探讨。

由于自然风速的大小和方向的随机变化，风力发电机组切入电网和切出电网、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运动过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。风力发电系统的控制技术从定桨距恒速运行至基于变桨距技术的变速运行，已经基本实现了风力发电机组理想地向电网提供电力的最终目标。功率调节是风力发电机组的关键技术之一，功率调节方式主要包括定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节三种控制方法。随着风力发电机组由定桨距恒速运行发展到变桨距变速运行后，风力发电机组控制系统可通过风速和风向变化对机组进行并网和脱网及调向控制，同时还可通过变距系统对机组进行转速和功率的控制，以提高机组的运行效率、安全性和可靠性，促进年发电数量和质量的提升。

1 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。定桨距风力发电机主要是软并网技术、空气动力刹车技术、偏行与自动解缆技术三种技术的结合。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，结构复杂，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。发电机转速是由电网频率限制，输出功率由桨叶本身性能限制，当风速比额定转速高时，桨叶能够通过失速调节功能将功率控制在额定值范围之内，其起到重大作用的是叶片独特的翼型结构，在遇到强风时，流过叶片背风面的气流产生紊流，降低叶片气动效率，影响能量捕获，产生失速。失速是一个较为复杂的过程，在风速不稳定时，很难得出失速的效果，因此很少用来控制MW级以上的大型风力发电机。

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。它能自动调节叶片桨距角度，适应不同风况下功率的调节，特别是使得在接近额定风速附近得功率曲线充实，增加风力发电机的年发电量。但其也有一定的缺点，即其需要一套复杂的变桨距机构，变桨距机构的设计要求对阵风的响应速度足够快，以减小由于风的波动引起的功率脉动。同时，变桨距执行机构及液压驱动系统较复杂，运行可靠性难以有效保证，其成本也较高。

3 主动失速/混合失速发电技术

主动失速/混合失速发电技术是上述两种技术的组合。低风速时采用变桨距调节可提高气动效率，使桨距角向减小的方向转过一个角度，增大相应的攻角，加深叶片的失速效应，从而限制风能的捕获。这种方式变桨距调节不需要很灵敏的调节速度，执行机构的功率相对较小。风力发电机组在超过额定风速（一般为14～16 m/s）以后，由于机械强度和发电机、电力电子容量等物理性能的限制，必须降低风力机的能量捕获，使功率输出保持在额定值附近，同时减少叶片承受负荷和整个风力机收到的冲击，从而有效避免风力机受到损害。这种调节将引起叶片攻角的变化，从而导致更深层次的失速，使功率输出更加平滑。

4 变速风力发电技术

风力发电机组分恒速恒频风力发电和变速恒频风力发电。变速风力发电技术是改变了风力机的恒速运动规律，可以根据风速的变化调整运行，保持恒频发电，当风速小时争取获得更大的风能，风速过大时调整储存转化能量，比恒速风力发电机组的实用范围更广泛。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。当风速变大风能变强时风轮可以吸收储存部分的风能，提高了传动系统的柔性，减轻了主轴承受的应力及扭矩。通过电力电子装置的作用，变速风力的风能转化为可以输入电网的电能，使风力机组安全平稳的运行，能量传输机构系统也平稳运行。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，推动了我国风力发电市场的发展。

参考文献

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