风力发电技术中功率控制方法

风力发电技术中功率控制方法

摘要：风能发电在我国的应用规模已经比较较大，在2020年新建设的发电设施中风力发电占比34.6%，因此进一步研究风力发电技术，并充分提升风力发电的效率对于我国当前能源危机的问题解决有直接的帮助，并对我国新能源的进一步发展具有现实意义。

关键词：风力发电技术；功率控制；策略；发展态势

1风力发电机械设施发展趋势

1.1风电机组向大容量发展

为了进一步提升风力发电的规模和减少设备资源的浪费，随着风电技术的不断突破，专家们不断的加大了风电机组的容量，从主流的1MW，开始向5MW的单机容量发展，而美国的风力发电机组已经可以达到7MW以上。当前风电机组大容量级别的机身重量可达1100吨，三片组成风味长度超60米，旋翼最高点可达180米，而我国最大的单容量机组是在2021年10月安装完毕的甘肃景泰红山二期，就达到了5MW水平。从研究表明，未来的风力发电机组将会向20MW甚至以上容量规模发展。

1.2海上风电发展加速

随着陆上风力发电机组的规模越来越大，通过发展海上风电技术可以有效的减少对陆地资源的浪费，同时更好的利用丰富的海上风力，从而实现批量化和规模化生产，有效的降低风力发电的成本。由中研网提供的数据，海上风电的每千瓦造价在17000元左右，当前我国在建的海上风电项目达到了6.4GW，并在不断的加大投入。主要是在上海、浙江、山东、江苏等地进行大规模应用，预计在2025年海上风电的收益可以达到3108亿元。

1.3定桨矩向变桨和变速恒频发展

由于定桨矩向的风力发电机在风能转化效率上的缺点，因此当前在风力技术上已经开始全面向变桨和变速恒频的技术方向发展。通过风力机转速来实现的变速变桨运行模式可以有效的捕获最大风速，从而提升风能的转化效率，降低生产成本。同时，通过变桨距不仅可以提升功率的输出稳定性，还可以减少风力对机组结构的荷载，提升风力发电机组的使用寿命。但是复杂的机构结构来提升了风力发电机组的控制难度和故障率。

2功率控制策略

2.1偏航控制系统

利用风速矢量方向变化来调整风电机舱方向，从而使风电机舱能够快速和平稳的对准风向，来获取最大的风能的对风装置，称为偏航控制系统。该系统的功能实现是通过风轮带动风电机舱的转向齿轮进行工作，当与风向实现对准后停止风轮转运，完成对风过程动作。偏航控制系统的结构主要包括了轴承、驱动设备以及控制机，而控制机又是由风向传感器、偏航控制器以及解缆传感器组成。当前比较成熟的控制系统分为主动式和被动式两种，从技术应用的可行性分，小型发电机组一般会采用被动式，而大型发电机组则采用主动式，这是由于风向仪的技术精度决定的，随着技术精度的不断提升，都会向智能化被动模式方向发展。

2.2风力发电机控制

双馈异步风力发电机是当前常用的控制技术，主要包括了绕线型异步发电机和电压源变流器，由电网提供定子电压、由变流器提供转子电压来实现双馈。变流器的转子电压的方式，来补偿机械频率和电频之间的差值，从而保障发电机在较大范围内进行变速运行，实现发电机的稳定工作。当发电机在工作状态中出现故障时，也可以通过变流器和控制器来实现对发电机的控制，从而实现各种风速环境下的正常工作。

4最大功率跟踪控制

4.1最大风能捕获方法

最大风能捕获方法是通过调节风力机的转速实现最大风能的利用。按照控制目标的不同,可以分为两类:第一类以最佳叶尖速比为控制目标，对风力机转速进行调节；第二类以风力机输出功率为控制目标,对风力机转速进行调节。

第一类包括叶尖速比法、功率信号反馈法(也称功率曲线法或最优转矩法)。叶尖速比法需要实时测量风速,并与风力机转速的叶尖速比进行差值计算来调整风力机转速,使其始终运转在最大风能利用点。功率信号反馈法是根据最佳功率曲线,调节风力机的输出功率,从而获得最佳叶尖速比,捕获最大风能。这类方法的缺点是:①需要建立精确的风力发电机模型;②需要风速测量装置,实时监测风速。因此,这类方法在实际应用中具有很大的局限性。

第二类包括三点比较法,其原理是在某一特定风速下,根据风力机输出功率与转速的关系曲线,在该曲线上取3个不同角速度对应的输出功率进行比较,根据功率P的大小调节转速,从而实现最大风能追踪。该方法最大的优点是能够用软件控制来实现。三点法控制原理如图1所示,其中机械角速度为Wm,在图1(a)的情况下,需要增加机械角速度;在图1(b)的情况下,需要减小机械角速度;在图1(c)

的情况下,需要调整角速度在W

2与W

3

之间,直到获得最大的风力机输出。

图1三点法控制原理

最大电功率控制法是通过调节风电系统发电机的功率以达到发电机的功率输出最大，从而达到最大功率跟踪控制的目的。最大功率输出方法主要包括爬山法和最大功率控制小信号扰动法。

4.2最大电功率输出法

4.2.1爬山法

爬山法主要应用在直驱式风力发电系统中，直驱式发电系统的拓扑结构及工

作原理如图2所示。图2中：U

in 为逆变器输入电压，U

o

为逆变器输出电压，开关

管V导通时间为t

on ，逆变器流人电流为I

1

，开关管V断开时间为t

off

。根据一周

期内电感L能量守恒，得：

(1)

(2)

因为t

on +t

off

>t

off

，所以此拓扑结构实现了升压功能。

图2 实现最大风能利用的风力发电系统结构

爬山法是人为地对转速进行干扰，通过控制发电机电磁转矩使风机转速趋于给定，反复进行搜索，调节输出功率，直到达到发电机最大功率输出。爬山法不需要测定风速装置，可由软件编程来实现控制；系统具有一定自适应能力，适合于小惯性的风力发电系统。但是爬山法在最大功率点处转速振荡，使输出功率有波动；在惯性较大的风力发电系统中，响应时间长，跟踪速度慢。

4.2.2最大功率控制小信号扰动法

最大功率控制小信号扰动法的控制过程为：在系统中注入缓慢变换的小幅正弦波扰动信号，通过在正弦波信号的极大值点和极小值点时刻分别对输出电流采样，利用采样值差的积分产生相应的控制作用。

最大功率小信号扰动法成功的关键为如何正确选取扰动信号参数。扰动信号角频率太大，系统难以实现；角频率太小，系统动态响应慢。幅值太大，系统波