风力发电机及风力发电控制技术研究措施

刘磊，薛靖

（中广核哈密风力发电有限公司，新疆哈密，839000）

0 引言

风力发电技术不断创新，在新能源中发展速度最快。但是，与其他国家相比较，中国的风力发电技术依然存在滞后性，特别是专业技术方面，诸如大型机的设计、调速调频技术以及失速调节控制技术等等，依然需要进一步完善[1]。要使风力发电机能够更好地发挥其性能，就需要优化风力发电的流程，使风力发电设备有良好的适应性。

1 风力发电机概述

1.1 传统风力发电机

传统风力发电机主要包括四种，即绕线式异步发电机、笼型异步发电机、同步发电机和有刷双馈异步发电机。

其一，绕线式异步发电是以铜线绕制的线圈作为电机转子，通过滑环将线圈末端引到启动控制设备上，所以这种发电机启动的时候电流小，具有可控性，启动的时候转矩比较大。转子回路电阻的调整通过电力电子装置实现，使发电机的转差率得到有效调节。随着转差率增加到10%，就可以有限变速运行。

其二，笼型异步发电机是一种交流发电机，其是将定子与转子间气隙旋转磁场充分利用起来，与转子绕组中所产生的感应电流相互作用，所以，笼型异步发电机又被称为“感应发电机”[2]。其运转的速度超过同步转速，随着转差率增加，输出功率增加，当转差率降低的时候，输出功率就会减少。

其三，有刷双馈异步发电机是采用双端馈电运行方式，定子要与电源相联，转子也要与电源相联，可以使发电机在并网运行的过程中，功率变换器的功率也会有所降低。

其四，同步发电机是一种交流发电机，其转子的运转速度等同于定子旋转磁场的运转速度。由于同步发电机处于运行状态的时候所采用的是直流励磁，如果其为单机运行，通过对励磁电流进行调节，发电机的电压也能够得到有效调节。同步发电机有很多的极数，运转的速度也不是很快，径向的尺寸比较大，轴向尺寸却很小。发电机的无功功率和功率因数要得到有效调节，需要根据励磁电流的调节结果展开。

1.2 新型风力发电机

新型风力发电机有很多种，诸如无刷双馈异步发电机、开关磁阻发电机、永磁同步发电机、永磁无刷直流发电机和全永磁悬浮风力发电机。

其一，无刷双馈异步发电机，就是将电刷去掉，没有集电环装置，提高了运行可靠性。这种电机对标准型双馈电机所存在的不足予以弥补，将绕线型异步电机、笼型异步电机和电励磁同步电机所具备的优点兼容，可以跟踪最大风功率因数，风能得到有效利用[3]。

其二，开关磁阻发电机的设计结构简单，有很高的能量密度，过载能力也非常强，有良好的动静态性能，其运行的效率高，非常可靠。（图1：开关磁阻发电机）

图1 开关磁阻发电机

其三，永磁同步发电机所采用的是永磁体励磁，不需要其他的励磁装，由此使励磁损耗减少。其还有一个优点，就是不需要换向装置，所以运行效率高，使用寿命比较长。

一、清理果园，有些果农对这一做法不够重视，至使在残枝落叶中寄生的病菌虫卵继续滋生，严重影响了果树的生长，开春前清扫园内杂草，枯枝残叶，并进行焚烧，苹果在萌芽前剪掉病枝，虫枝，破伤枝。远离果园外进行销毁。

其四，永磁无刷直流发电机以直流单波绕组为枢绕组，电刷装置用二极管替代，将直流单波绕组和二极管连接起来，构成一个整体，使用内置式切向永磁体转子励磁，采用电子电路换相或者电流控制方式[4]。

其五，全永磁悬浮风力发电机是永磁体构成，没有安装控制系统。由于这种发电机运行的过程中会存在输出特性偏软的问题，采用磁悬浮技术和磁力传动技术能够有效解决。

2 风力发电控制技术

风力发电控制技术主要包括四种，即变桨距风力发电技术、定桨距失速风力发电技术、变速风力发电技术和主动失速/混合失速发电技术。

其一，变桨距风力发电技术符合空气动力学，在风速非常高的时候，对桨叶的节距进行调整，对气流对叶片的迎角加以改变，就可以使风力发电机组发生改变，从中获得空气动力转矩，维持稳定的输出功率[5]。（图2：变桨距风力发电机运行图）

图2 变桨距风力发电机运行图

现在，变桨距控制技术已经被大型风力发电机组广泛使用，诸如NERCON的E-66-1.8M变桨距风力发电机、VESTAS的V66-1.65MW的变桨距风力发电机以及NORDEX的S77/1500KW变桨距风力发电机等等。

其二，定桨距失速风力发电技术是将桨叶与轮载连接起来并固定好。桨距角恒定，随着风速发生变化，桨叶的迎风角度也会相应地发生变化[6]。

其四，主动失速/混合失速发电技术是将变桨距风力发电技术和定桨距失速风力发电技术结合起来，性能上实现两者的优势互补。当风速比较低的时候，采用变桨距调节技术可以使气动效率提高，当风力发电机达到额定功率，就会按照变桨距将桨距向相反方向调节，使桨距发生改变[7]。

3 应用智能技术控制风力发电系统

在控制风力发电的时候需要采用合适的方法，由于发电的过程中会受到各种因素的影响，所以，控制上存在一定的难度。对于控制方法的设计可以采用数学模型分析方法以及智能控制方法。

3.1 模糊控制技术的应用

模糊控制技术就是应用智能技术实施控制，其所具备的一个重要特点是，用数字语言规则表达专家的经验以及有关的知识，对控制对象的数学模型没有依赖性，因此不会受到非线性因素的影响。当出现异常状况或者遇到风险的时候，可以采用调节参数的方式解决。风力发电系统属于非线性系统，具有随机性，所以采用模糊控制方法是比较合适的[8]。通过应用模糊控制技术可以跟踪转速，捕获带最大的风能，获取发电机Δ的最大功率，所以对风力发电系统能够很好地控制。

采用二维模糊控制器，控制输入量为高风速时功率于额定功率之差是ΔP，dΔP为变化率，E和EC是模糊化量，ΔU是桨距角变化量，Δμ为模糊化量。

在模糊控制中，E和EC是是输入量，ΔU是输出量。

论域是：

这里，模糊化变量所采用的都是正太分布隶属度函数。

3.2 神经网络控制技术

对风力发电系统采用神经网络控制技术，通过对风速数据进行观察，对风速变化情况进行预测。应用神经网络控制器对变桨距风力发电系统进行控制，可以对Cp-λ特性曲线进行修改，捕获到风能，将机械负载力矩减小。以风力发电机动态特性和风速数据作为依据将自适应控制模型建立起来，应用智能技术观测数据，将规律寻找出来，基于此预测未来数据以及不能直接观测到的数据，由此控制工业过程。

4 结束语

通过上面的研究可以明确，风力发电如果依然采用传统技术，已经无法适应越来越发达的社会经济环境，快就需要智能化方向发展。应用智能控制技术使风力发电的优势充分发挥出来。为了使风力发电机得到有效控制，就需要基于风力发电机的工作原理采取科学有效的控制方法，使风力发电的性能大大提高。