风力发电机及风力发电控制技术综述 姜礼龙

风力发电机及风力发电控制技术综述姜礼龙
发表时间：2019-07-05T11:50:40.807Z 来源：《电力设备》2019年第4期作者：姜礼龙
[导读] 摘要：风能是目前全球发展最快的可再生绿色能源，风力发电系统是将风能转化为电能的关键系统，它直接关系到风力发电的性能与效率。

（国华（科左中旗）风电有限公司内蒙古通辽 028000）
摘要：风能是目前全球发展最快的可再生绿色能源，风力发电系统是将风能转化为电能的关键系统，它直接关系到风力发电的性能与效率。

由于风能的能量密度低，具有不稳定性和随机性，控制技术是大型风力发电机组安全高效运行的关键。

本文就风力发电的现状及风力发电机工作原理进行分析，着重探讨风力发电控制技术，提升风力发电经济效益。

关键词：风力发电；控制技术
随着我国经济发展有中低端迈向中高端的转型升级发展，更加各种清洁能源在经济社会发展中的作用、环保价值与开发前景。

作为清洁可再生能源，风能的应用正在我国逐步推进。

但是我国风能研究理论与应用技术落后于欧美国家。

1 风力发电的现状及原理
1.风力发电在能源开发企业中属于重点开发的项目。

历经多年的发展，风力发电获得了较好的成绩，现阶段风力发电技术发展的现状较为良好。

风力发电技术的单机容量近年一直在增加，能满足更多场合的发电需求。

随着能源公司规模的不断发展与扩大，整个发电行业中风能发电的占有比例也随之增大。

从技术发展的层面进行分析我们不难发现，我国现有的市场经济环境中，风电企业从最开始的单存引进阶段到将国外的技术经过革新本土化后应用，最后到自主创新的阶段，当前已经有了基本的技术积累，尤其是兆瓦级机组在国内市场中的普及，更是标志着我国自主研发能力，已经进入了全新的阶段。

2.风力发电机的工作原理。

风力发电利用的是自然能源，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。

风力发电机一般由风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成，风力发电机是将风能转换为机械能，机械能转换为电能的电力设备。

依据目前的风力发电机技术，大约是每秒三公尺的微风速度，便可以开始发电。

正因为风力发电没有燃料，也不会产生辐射或空气污染等问题，所以风力发电正在世界上形成一股热潮。

目前在风力发电机组中，两种最有竞争能力的结构型式是异步电机双馈式机组和永磁同步电机直接驱动式机组。

双馈风力发电机组风轮将风能转变为机械转动的能量，经过齿轮箱增速驱动异步发电机，应用励磁变流器励磁而将发电机定子电量输入电网，如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电；直驱永磁风力发电机组的发电机轴直接连接到风轮上，省去了齿轮箱，转子的转速随风速而改变，其交流电的频率也随之变化，经过大功率的电力电子变流器，将频率不定的交流电整流成直流，再逆变成与电网同频率的交流电输出。

2 风力发电控制技术
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。

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毅固定连接，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，可使桨叶的表面产生紊流，使发电机的效率降低来达到限制功率的目的，风力发电机的这一特性控制发电系统的安全可靠。

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，可以通过控制叶片的角度使风轮的转速保持恒定，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，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14-16m/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，必须降低风力发电机的能量捕获，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发电机收到的冲击，从而有效的避免风力发电机受到损害，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发电机的恒速运动规律，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距，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，使风力发电机组安全平稳的运行，能量传输机构系统也平稳运行。

3 风力发电系统的智能控制
风力发电中，所选择的控制技术合理与否，将直接影响到风力发电效益。

就风力发电技术来看，影响因素较为多样，控制过程涉及内容较为繁杂，可以通过建立数学模型分析，实现对风力发电的智能控制。

1.滑模变结构控制。

滑模变结构控制是一种较为前沿的非线性系统，在系统运行过程中可能由于风向变化和负载变化，所以无法建立更加精准的数学模型进行控制。

滑模变结构控制相当于一种连续开关型控制技术，在满足系统运行条件基础上，在特定空间内运动，系统对参数变化不敏感、响应速度快以及设计简单的特点，确保系统可以安全稳定运行，提升风力发电机控制水平。

2.矢量控制控制。

矢量控制主要是在双馈电机控制系统中应用，实现风能的最大效率利用，此种技术可以实现有功功率和无功功率的
独立解耦调节，抗干扰能力强，可以实现风力发电机组的稳定控制。

但同时，此种技术由于转自电流励磁分量多少会对发电机组运行稳定带来影响。

通过收集得到的数据信息，应用现代化智能控制技术的同时，还要注重数据信息的深层次挖掘，把握数据规律，在此基础上对于无法观测的数据进行预测和分析，实现对风力发电运行过程的有效控制。

4 技术发展趋势展望
为提高风力发电效率，降低成本，改善电能质量，减少噪声，实现稳定可靠运行，风力发电将向大容量、变转速、直驱化、无刷化、智能化以及微风发电等方向发展：
1.风力发电机大型化。

这可以减少占地，降低并网成本和单位功率造价，有利于提高风能利用效率。

2.采用变桨距和变速恒频技术。

变桨距和变速恒频技术为大型风力发电机的控制提供了技术保障。

其应用可减小风力发电机的体积、重量和成本，增加发电量，提高效率和电能质量。

3.风力发电机直接驱动。

直接驱动可省去齿轮箱，减少能量损失、发电成本和噪声，提高了效率和可靠性。

4.风力发电机无刷化。

无刷化可提高系统的运行可靠性，实现免维护，提高发电效率。

5.智能化控制。

采用先进的模糊控制、神经网络、模式识别等智能控制方法，可以有效克服风力发电系统的参数时变与非线性因素。

6.采用磁力传动技术和磁悬浮技术，使电机能够“轻风起动，微风发电”。

现有的可再生能源技术中，风力发电技术又最为成熟，我国幅员辽阔，风电产业的发展具备得天独厚的条件，因此对风力发电中的关键技术一风力发电机技术的研究就变得尤为重要。

参考文献：
[1]周朱益.磁悬浮风力发电机发展及其控制策略研究[J].电气自动化，2014，（01）：7-11.
[2]汪晓娜.风力发电技术发展综述[J].电气开关，2014，（03）：16-19.。