风力发电电气控制技术及应用研究

包磊

（华电山西能源有限公司新能源分公司 山西省太原市 030006）

伴随着经济的飞速发展，能源开发被提到日程。为了能够将能源短缺的状况缓解，国民需要重视对新能源的开发和研究，其中风能是新型清洁能源的一种具有较强的应用价值。风力发电电气控制技术被广泛地运用，急需要对风力发电的现状进行分析，了解电气控制技术以及运用策略。

1 目前风力发电现状

风能作为目前被大力推广的清洁能源之一，由于企业资源的优势相对较为显著，无污染、不会衰竭。但是，局限性相对较大。例如，风力发电具有的稳定性，就会比其他类别的发电模式较弱。由于风能不可被储存，只能够在现场采取，所以，在风力发电发展时，出现了较多的问题。最显著的问题是对电网和电能质量影响相对较大。由于风向改变具有较强的随机性，速度也具有随机性，所以导致电能和负荷变化不一。若是电网规模相对较小，风力发电的稳定性也会相对较低；若是电网规模相对较大，就会导致电能的质量受到影响。所以，目前我国各个风力发电企业所运用的设备较为关键，但设备具有较强的复杂性，不能够对风力发电过程进行控制。目前我国的风电系统主要包含：线性模式与非线性模式，线性模式是延续传统控制模式，但是不能够对目前的风力发电需求满足，导致我国的风力发电发展备受限制。

2 风力发电系统电气控制技术分析

（1）风力发电系统的不稳定性，作为风力发电与其他发电模式有差别的地方，风力发电会受到各种自然因素的影响，例如温度湿度以及大气压等。所以，为了能够使风力发电不受到影响，需要尽可能的把全部不可控类自然因素规避掉。

（2）在对风力发电系统的效率进行探究的过程中，最关键的考量指标为风能利用率。风力发电厂为了可以提升风能利用率，设置出60～100m 范围叶片直径。

（3）在一般状况之下，风力发电系统都是在比较恶劣的环境之下开展，相关工作人员很难对现场进行把控，没有办法对预期效果进行判断。所以必须要将远程监控设备引入其中，保障风力发电的效率。

3 风力发电与电气控制技术概述

风力发电模式主要就是将自然界中的风能转换成为电能，对风力资源进行运用。该项技术从早期阶段就被使用，由于风能具有较强的清洁环保性，其中蕴含较大的能量，隶属于可再生能源的一种。目前世界范围内污染严重，能源紧张。所以，也需要积极地将风力资源进行运用，不但能够降低资源的使用率，还能够保护环境。风力发电模式受到世界各国重视，目前我国风力发电的发展相对较快。但是，在实施风力发电的过程中，其最大的问题是风力发电可靠性不是非常的强，这和风力发电会受到气压环境以及气温等各种自然条件的影响有关。为了能够将上述问题解决，可以将电气控制技术运用其中，从而有效地提升风力发电具有的可靠性。电气控制技术就是将众多的电气元件组合在一起，运用其中的某一个元件对其进行控制亦或是某些对象，促使被控制的众多设备在运行过程中具有较强的可靠性和安全性。就现阶段来讲，该项技术被广泛地运用在发电环节中，促使发电环节能够受到较为有效地控制，成果较优。

图1：变桨距风力机性能曲线

4 风力发电电气控制技术的应用

4.1 变桨距发电技术

在开展风力发电的时候，若是因为风力发电主机的功率不足，影响到发电的质量和效率，就会导致风力资源的运用概率显著下降，会对发电的质量与效果造成较大的影响。那么，控制风力发电机组运行过程中产生的风速功率显得较为重要。变桨距发电技术就能够将上述的问题有效地解决，运用桨距角度的转变，能够保障风力发电机设备组在风速较高的时候还可以控制发电，从而有效地提升风力资源的利用率。加之，伴随着我国科学技术的深入发展，扇叶在进行制造的过程中，所运用的材料供质量显著提升，促使扇叶重量显著降低，这就使得设备整体的重量也显著下降，冲击荷载也显著降低。变桨距发电技术运用，可以降低设备在运行过程中发生事故的概率，促使控制工作变得异常轻松。但是，该种举措带来了另一个问题，变桨距正常运转的过程中稳定性相对较差，需要投入大量的物力和人力资源，导致物力资源和人力资源消耗量过大。但随着科技和电气控制技术水平的不断提升，这一问题最终将会被妥善地解决。如图1所示。

4.2 定桨距失速发电技术

该项技术的运用主要是将传统发电技术与新型发电技术有机地结合在一起，能够更好地保障风力发电系统常规运行质量，提升系统具有的稳定性。由于在发电时，发电机组设备需要在并网内进行工作，导致发电机组设备具有的稳定性需要更强。定桨距失速发电技术，主要是运用叶片复杂构造，促使操作人员可以对发电机组设备的功率进行控制。但是由于叶片的体积过大，重量过大会，导致在进行发电的时候，有较多的无用功被消耗，致使发电机组运行效率不佳。该项技术在运用的过程中，会受到较多的限制，只可以在风力等级相对较低的环境中使用。若是风力等级过高，就不可以对该项技术进行运用。所以，相关技术研发人员需要探究如何在风力高的环境之下对各项技术进行运用，从而有效地拓宽技术运用的范围。

4.3 主动失速发电技术

该项技术又被称作是混合失速发电技术，是将变桨距发电技术和定桨距失速发电技术有机地结合在一起，能够有效地将便将定桨距失速发电技术运用过程中，对成本要求较高问题解决，还能够将定桨距失速发电技术内部能够较好地保障风力发电频率问题解决。所以，主动失速发电技术独具优势，可以继承上述二者技术的优点，对缺点也进行了相应的改善。该项技术运行的原理是将桨距角处于不同状况下可以对其进行改变，从而控制风能速度以及捕获量。该种技术具有较高的应用价值，但是从现实的角度来讲，该项技术在运用的过程中经常会出现严重性的失速，最后导致使用功率不被控制，会对整个电力系统运转造成不良影响。

4.4 变速风力发电技术

变速风力发电技术关键就是针对风力发电机进行控制和影响，依照风速的不同，对风力发电机设备的运行状况进行控制，从而保障恒定发电的频率。因为风力发电机设备会受到不同风速的影响随之变化。为了能够较好地保障风力发电机设备运行效率，可以依照实际的状况对风轮转速指标进行调整，重视输出功率具有较强的平稳性，从而保障风力发电的稳定性和安全性。变速风力发电技术已然成为风力发电环节中的关键性技术之一。在讨论风力机的能量转换与控制时，以下特性系数具有特别重要的意义，下面是风力发电机组的基本特性系数：

4.4.1 叶尖速比

为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比λ。尖速比可以表示为：

注：ωr 为风力机设备风轮角的速度，单位为rad/s；R 为叶片半径，单位为m；

V 为主导风速，单位为m/s；VT 为叶尖线速度，单位为m/s；

4.4.2 风能利用系数Cp

风力机设备从自然风能内所吸取得到能量大小用风能利用率系数Cp 表示，注：P 为风力机设备实际获得轴功率，单位为W；ρ为空气密度，单位为kg/m3；S 为风轮设备扫风面积，单位为m2；V 为上游风速，单位为m/s。

4.4.3 扭矩系数与推力系数

为了可以将气流作用之下的风力机设备所产出的扭矩与推力比较，可以将λ 当真是变量制成扭矩与推力变化的曲线。

4.5 低电压穿越技术

风电场并网点三相电压在图中电压轮廓线以上，风电机组应具有不间断并网运行的能力；并网点有一相电压在图中电压轮廓线以下时，风电场内风电机组允许从电网切出；风电机组应具有在并网点电压跌至 20%额定电压时能够维持并网运行 625ms 的低电压穿越能力；风电场并网点电压在发生跌落后 2s 内能够恢复到额定电压的 90%时，风电机组应具有不间断并网运行的能力；在电网故障期间没有切出的风电机组，其有功功率在故障清除后应以至少10%额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的值。

低电压穿越功能：

低电压穿越功能分成以下三个部分：

（1）低电压穿越中判断与穿越阶段动作。

a.依照变流器设备对低电压穿越状态进行判断，与此同时，控制器设备会依照测量的实际电压实施计算，开展计时。

b.低电压穿越阶段屏蔽电网出现的故障解决。

c.变桨实施转速闭环的专项调节，其中目标转速是同步转速。

（2）低电压穿越失败动作。

依照变流器设备的信号对低电压穿越失败状况进行判断，亦或是依据主控系统实施计时判断，因为主控系统测量电压准确性等各种原因，所以，主控判断中失败触发时间需要实施标准的判定时长。一旦穿越失败，就会导致部分故障被触发，导致发电机设备停机。

（3）低电压穿越成功后动作。

待到完成穿越之后，功率的恢复会依照跌落之前10%的功率进行恢复，处于恢复时期，需要依照计算转速实施调节恢复。加之，需要将屏蔽电网有关故障放开。待到电压恢复之后，可以进入正常控制的状态。

5 技术改造

由于风能本就是环保、绿色以及无污染类可再生性资源，但是其自身的稳定性相对较差，没有办法对风速等各种因素进行控制。所以，在对风能进行运用的过程中，需要依照风向具体的变化，合理地对各项技术进行运用和操作，不让风能发电工作效率和用电质量将会受到影响，做好各方面的调整工作，需要将发电机设备运行过程中的各种变化考虑其中，促使风能发电的最大化效益。加之，目前我国风能发电控制系统内经常运用的控制系统分为三种，便变速恒频控制、叶尖速比跟踪控制、消除力矩转动链中力矩震荡控制。所以，急需要灵活地运用信息化管控系统，在电力企业信息化管控系统中，各类的信息化项目都会有其各自的流程，该流程的主要作用就是保证管控系统的稳定运行，完成系统建设。

6 结束语

综上，随着我国经济的飞速发展，我国的多种能源在日益的被消耗，要重视对再生能源的运用。中国作为物产丰富的大国，给风力发电带了先决性条件，风力发电显得至关重要，不但能够推动我国电力行业稳步健康发展，还能够促使国家经济稳定繁荣。风力发电技术不但隶属于再生能源技术，还能够有效地降低其他能源消耗的概率。所以，需要积极地运用风力发电技术，确保风力发电的质量和效率。