浅谈风力发电技术与功率控制策略

浅谈风力发电技术与功率控制策略

摘要：风力发电作为一种新型的发电方式，其不仅清洁，还可以节约成本，在全球气候不断变暖的环境下，风能作为清洁能源深受人们的普遍关注。风力发电技术的快速发展，如何控制发电功率是风力发电的重要内容。本文就对风力发电技术与功率控制措施进行深入探讨。

关键词：风力发电；功率；控制；措施

相对于传统能源来说，风能的开发利用不仅成本低，而且环保安全，最重要的是风能是可再生能源。目前风能的开发利用主要是风力发电。在实际工作中，风力发电机组对风力的利用率是比较低的，因此专家对风力利用率的提高技术研究一直没有间断。

1、风力发电技术的基本发电原理

风力发电主要把风能转化为机械能为基础发电的，而后在将转化而来的机械能变成电力动能。在实际工作过程中，风力将风轮带动旋转，旋转的过程中利用齿轮箱发电机的旋转速度，从而有效的促使发电机进行发电。而在风力发电过程中所使用的设备装置统一称为风力发电机组，而此发电机组又可以细致划分为风轮、发电机和塔架三个部分。其中把风能转化为机械能最主要依靠的就是风轮装置，主要由两片或两片以上的螺旋桨形状的桨叶构成。当桨叶受到风的作用时，在桨叶上产生气动力来促使风轮的转动。为了确保风轮在工作过程中始终对准风向以获得最大的功率，在实际使用的过程中需要在机舱顶部安装风速风向标。风力发电机的塔架就是一个支撑整个风轮和机舱的构架。在设置塔筒的高度时，需要对实际环境中地面障碍物对风速的影响情况和风轮实际直径的大小进行综合考量，以确保设置塔架的高度符合风力发电机实际工作的要求。发电机最主要的作用就是在风轮受到风的作用而产生恒定转速之后，再由齿轮箱将其传递给发电机匀速运转，最终由发电机将机械能转变为电能，送入电网。一般风力发电机都是由塔架、发电机、齿轮增速器(一般为传动效率高的行星齿轮传动)、变桨偏航系统(按风力大小调整桨叶迎风面)、桨叶、联轴器、电控系统等组成。

2、风力发电功率控制策略

2.1风力发电机变桨距控制

根据风轮叶片和轮毂安装的不同，风力发电机组可以分为定桨距与变桨距两类。其中，定桨距风力发电机将叶片固定于轮毂，即使风速改变，也不会改变桨叶安装角度。但定桨距风力发电机有两个问题亟需解决：第一，风速在额定风速以上时，桨叶具有自动调节功率的能力，导致功率接近发电机额定值。第二，风力发电机组在运行过程中，需要配备制动机构以满足紧急停车需求。20世纪80年代，定桨距风力发电机配置叶尖扰流器，实现功率调节以及气动制动等功能。同时，因结构简单、性能稳定等特点优势，定桨距发电机组广受发电企业青睐，其应用范围不断拓展。随着硬件设施不断更新，基本控制理论越来越完善，变桨距风力发电机的性能稳定性得到大幅度提升，变桨距控制技术成为专家学者争相研究的重要课题。变桨距风力发电机的叶片与轮毂采用的是非刚性的联结方式，可以通过叶片纵梁改变桨距，促使叶片对应风向获得多重功角，不论风速如何变化，叶片均能处于最佳功角位置，进而保证风力发电机组的风轮在风速持续变化的情况下，仍然能保持最高的转化率，保证发电效益最大化。

传统的变桨距技术可以分为电液与电气两种伺服方式；变桨系统的设计功能主要有两个方面：一是在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能捕捉较多的

风能，所以这时没有必要改变桨距角，此时的空气动力载荷通常比在额定风速之

上时小，因此也没有必要通过调节载荷。为了提高系统的实时响应性能，应该综

合考虑风场风能资源信息，风速仪所测到的风速变化情况、风机功率输出的变化

情况、偏航系统的响应性能等情况。这些因素均可成为是杏变桨的判断依据。在

额定风速以下时，桨距角设定值应该是能够吸收最大功率的最优值。二是超过额

定风速时，增加或减小桨距角都能够有效降低风机轮产生的空气动力载荷，减小

机组转矩。增大桨距角，就是将叶片前缘转向迎风方向，称为顺桨；：反之减小

桨距角就是将叶片前缘转向背风方向，称作主动失速变桨。目前采用顺桨控制方式，即超过额定风速时，采取增大桨距角的方式进行控制。这样，由风轮产生的

空气动力载荷就得到减小，从而减小机组转矩，为停机创造条伴，同时也能保护

了塔筒，防止飞车、倒塔事故的发生。为了对动态转矩进行一定约束，应将变桨

距输出桨距角保持在0～90°／s的变化范围内。随着功率的增加，风力发电机组

叶片需要更大驱动力以改变桨距角，同时还需要高强度、高精度的变桨距机构作

为机械支撑。

2.2风力发电机偏航控制

在风力发电机组控制系统中风力机偏航控制是非常重要的组成部分。偏航控

制系统在工作中与风力发电机组相互协调，可以保持风轮一直处在迎风状态，这

样可以很大程度上提高风力发电机组的发电效率，同时也可以保障风力发电机组

的运行安全。风力发电机偏航系统分为主动迎风偏航系统和被动迎风偏航系统。

风力发电机偏航控制系统在工作中主要是在风力发生改变时，可以更好地调整风

力发电机，让风力发电机始终处在风向的正前方，这样可以最大限度地捕获风能，对风力发电机的功率输出有很大提升。

2.3风力发电机控制

在风力发电技术功率控制中，可以通过风力发电机来控制功率输出。风力发

电机大多采用双馈异步风力发电机。双馈异步发电机的最大好处就是可以根据风

速变化进行适当调整，这样可以保证风力发电机的运行始终是最佳状态，对风能

利用率的提高有很大帮助。同时，在双馈异步风力发电机运行过程中，通过控制

馈入的电流参数，在保持定子输出的电压和频率不变的基础上，调节电网的功率

因数，保障风力发电机的系统稳定。

3、风力发电技术的发展趋势

随着风力发电技术的推广和使用，在不断的实践操作中，得到了越来越多的

改善。将原有的风力发电单机容量小做了调整，增大了单机容量，同时也为了不

占用更多的陆地资源，将风力发电陆地风转变为海上风，恒速发电机组向变速发

电机组发展，有齿轮箱向直驱永磁式发展，小叶片低塔筒向长叶片高塔筒发展。

3.1单机小容量向大容量的发展

目前，风力发电机组单机容量虽然已经得到了较大改善，增大了单机容量，

但在实际应用中仍然存在很大的不足，必须有新的突破才能适应日益增长的电力

需求。先进国家的风力发电机组单机容量已经朝着40MW的方向发展，因此应该加快研究力度，风力发电机转变为风力发电站，风能的利用率将大大提高。

3.2风力发电有齿轮箱向无齿轮箱发展

在风力发电中有齿轮箱对风力发电工作要求高，加工难度大，而且设备较为

沉重。因此直驱式风电技术得到迅速发展，无齿轮箱的直驱方式能有效地减少由

于齿轮箱问题而造成的机组故障，减少风电场维护成本，而且可靠性和效率都较

大提高。目前国际先进的无齿轮箱直驱风力发电机的工原理采用的是低速多极永