风力发电技术与功率控制策略初探

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　　摘 要：在我国能源体系当中，对于可再生能源的重视程度越来越高，相比较于核能以及火力发电来讲，风力发电属于一种低成本并且廉价又无污染的发电技术，在社会清洁能源结构当中所占比重越来越大。但风力发电的实际电能转化效率还不到60%，可以说转化利用率极为有限。因此在本文中，作者将分析风力发电技术及其功率控制。
　　关键词：风力发电;技术发展;功率控制
　　中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）09-0147-02
　　0 前言
　　在新世纪发展过程中，对于不可再生能源的使用，已经渐渐的受到了控制，因此，在能源结构中，可再生能源的发展正在增加。社会各国新能源技术开发过程中，风力发电属于最主要的一种，尤其是随着石油能源以及其它不可再生能源的减少，风力发电所受到的重视程度越来越高。风力发电最早在19世纪末期就出现了，经过100多年的发展到现如今已经渐渐成为社会能源的主要来源之一。而我国因为用电量需求增长，对于风力发电技术的重视程度以及发展水平也越来越高。因此针对于风力发电技术的研究工作在不断开展，并且不断进步，对功率控制问题的研究也在不断深入，对功率控制存在问题也在不断的进行改善。
　　1 风力发电技术发展趋势
　　1.1 风电机组容量大型化
　　对风电机组来讲，在发展过程中风电机组单机的容量会从小容量向大容量逐渐进行转变，这也是风电机组单机容量的发展趋势。现如今在市场中进行应用的风电机组单机容量，其容量都在一兆瓦以上，单机容量最大的已经达到了5兆瓦。而一些实验室产品的单机容量已经达到了7兆瓦甚至是10兆瓦，在不断发展过程中，甚至会出现20兆瓦，30兆瓦以及40兆瓦的巨型风力发电机。随着发电机组容量的增加，风力发电的水平将会不断的提升。
　　1.2 风力发电由陆地转向大海
　　在风电技术应用的初始阶段，大范围应用区域都是在陆地上，随着对风力涡轮机的重视程度增加，风力发电机组的数量也在不断增长，所以这些数量激增的风电机组对于陆地资源的占用数量会大大增加，导致许多陆地资源被占用，所以将风力发电机组逐渐向海上进行转移，是行之有效的解决措施。海上风电和地面风电的原理是相同的，风力涡轮机逐渐转移到海上，能够对陆地风力发电机组占用大量土地资源所导致的问题进行极大程度的解决，而且在海上风力资源是陆地上的三倍，所以在广阔的海域当中，可以很好的解决占用陆地资源的情况，解决由陆地风电公司和大型风力涡轮机设备投产过程中成本投入增加产生的问题，使得风力发电的成本大大降低。因此在各国发展过程中，对于风力发电机组海上化转移，都制定了相应的章程以及计划并且在逐渐进行中，发展到现如今，已经取得了极大程度的进展，为全球能源紧张问题做出了巨大贡献，对自然环境的改善也起到了辅助作用。
　　1.3 发电机组间距，变桨速度恒定频率发展趋势
　　在风力发电过程中，与过去的风力涡轮机的恒速运行相比，相应的风力涡轮机技术也在不断改进。在风力发电机组当中应用变速运行技术，能够使发电机组对于风能捕获达到最大程度，而且当风力发电机组所在区域的风速不断进行变化的时候，通过变速操作能够调节风力涡轮机自身的风力涡轮机速度，从而将风机速度保持在最佳水平。而且通过变速运行，可以使风力发电机组机械的应力降低，对风能的捕获百分比增加，同时变速发电机组在生产制造过程中适应性非常强，制造成本又比较低，而且效率又比较高，所以正在逐渐取代恒速风电机组。
　　对于风力涡轮机的桨距，在技术未得到显著性改变之前使用的是固定桨距，现在变桨距经过不断完善，已经逐渐取代风力涡轮机中使用的固定桨距。将风机应用于风力发电，在实际应用过程中，风力发电机的启动性能将得到改善，风力发电机的输出功率将变得更加稳定。在实际运行期间，风力涡轮机的结构载荷将变小。最重要的是应用变桨距，可以对风速高于切出风速的风电机组进行有效的保护，避免其被破坏，延长其使用寿命。缺点是因为变桨距所拥有的功能更多，所以其发生故障的几率也会更高，在实际应用过程当中对其进行操控需要极高的技术水平。
　　1.4 发电机无齿轮箱化发展
　　在风力发电技术的不断发展中，风力涡轮机也在不断升级，从过去的变速箱到无齿轮箱直驱永磁风力涡轮机。这种无齿轮箱的风力发电机在应用过程中，使工作要求变得非常低，而且加工难度也比较小，由于移除了增速齿轮箱，风力涡轮机的轴承直接连接到叶轮轴。因此，在风力发电电能进行输出的过程中，需要应用于大功率电力电子变换器来整流频率不断变化的交流电。然后再进行逆变输出，可以输出到国家电网当中。无齿轮箱的风力发电机其运行的系统效率会更加高，而且运行安全性稳定性会更好。
　　1.5 结构发展趋势
　　早些年发展过程中，风力发电机组因为材料限制以及技术限制，所以结构设计方面存在着很多不足。在近几年发展过程中，因为科技的进步以及材料技术的进步，对于风力发电机组来讲，在发展过程中逐渐变得更加安全，可靠性也得到了显著提升。此结构之所以向着该方向发展，主要是因为风力发电机组在使用过程当中大多数都存在着使用寿命短的缺陷，所以通过对其结构进行重新设计和改善，使风力发电机组的转子可靠性得到提升，同時对风机的系统进行全面的优化改善设计将材料选用的更好，使得控制能够变得更加稳定安全。通过对风电机组结构进行优化改善设计，能够使风电机组的负荷大大降低，而且风机的整体重量以及制造费用也会得到降低。
　　2 风力发电机组功率控制
　　2.1 风力发电机变桨功率控制
　　在对风力涡轮机进行分类的过程中，我们可以在安装过程中根据风力涡轮机对风力涡轮机叶片和轮毂的安装结构进行分类。它可分为两种主要类型：固定螺距风力涡轮机和可变螺距风力涡轮机。前者，即固定螺距风力涡轮机，在安装过程中，将发电机的叶片安装并固定在轮毂上。因此，当使用风力涡轮机时，如果风速改变，则风力涡轮机的叶片安装角度将不会改变。因此问题是，如果风力涡轮机的风速在运行过程中高于风力涡轮机的额定风速，固定桨距风力涡轮机不能自动调节功率，使得难以围绕风力涡轮机的额定功率摆动。同时，在使用风力涡轮机的过程中，固定节距风力涡轮机难以进行紧急制动，因此风力涡轮机的安全性将受到很大影响。而这类问题在叶尖扰流器研制成功之后，并且将其应用在定桨距风力发电机组当中之后，得到了显著改善。 　　而变桨距发电机组在发展过程当中，因为可靠性与稳定性问题的存在，导致变桨距技术在最初发展过程中所受到的重视程度不高，在后续的发展过程当中，不断对变桨距控制技术进行研究改善，通过不断研究与改进使得变桨距风力发电机组可靠性问题得到了控制和改善，随后才开始在风力发电过程当中进行了广泛应用。对于可变节距风力涡轮机叶片和轮毂之间的安装是非刚性连接。采用这种连接方式，可以围绕叶片桁条调节风力涡轮机的叶片。因此在风力发电机运行过程当中，可以根据不同的方向来对其功角进行调节，即使在变换频繁的风速下，风力发电机叶片的功角也能够始终维持在最好的角度，所以在风力发电过程当中，输出功率也始终保持在最佳状态，输出功率也会最大。风力发电机组运行过程当中，风力涡轮机周围的风速比风力涡轮机切断风速要高很多的时候，可以在风力涡轮机需要进行紧急制动作业的时候，通过变桨距来实现，提高制动安全性，降低制动过程中存在的安全隐患。这主要是因为风力涡轮机叶片是羽毛状的，所以在制动过程当中，即使外部的风力冲击比较大，对于风力涡轮机也不会产生很大的影响。
　　2.2 风力发电机偏航控制功率
　　对于风力涡轮机，偏航控制系统是重要的部件，其对于风力涡轮机的控制非常重要。偏航控制系统的部件主要是偏航轴承、偏航驱动器、制动计数器、绞合电缆保护和液压回路。它与风力涡轮机控制系统一起使用，在偏航控制系统的作用下，可以确保风力涡轮机的风力涡轮机在运行期间始终处于迎风状态。不影响风力涡轮机的发电操作，并且将提高发电效率。偏航控制系统可分为两种类型，被动前风和主动迎风。无源迎风型用于小型独立风力发电系统，偏航控制系统将被动地面向风。主动逆风偏航控制系统用于大规模并网风力发电系统，并且在应用过程中需要从顺风方向接收风向标信号。然后，风力系统被主动控制以用于风力操作。
　　因为对于风力发电机组来讲，处于自然界当中的风速不是固定不变的，所以需要对风力发电机舱进行不断转动，风力涡轮机的风力涡轮机始终处于正风状态，以增加自然风冷却的补充效率。但在实际应用过程当中，因为来自于下风向和风向仪的精度问题，所以导致偏航控制系统在调节过程当中，不能够使风轮始终处于对方状态，所以对自然界中风能的捕获效率造成了极大程度的影响。
　　2.3 风力发电机控制功率
　　由于风力涡轮机的构造现在越来越大，用于构建大型风力涡轮机的大多数发电机是双馈异步风力涡轮机。在风力发电机的结构中，定子绕组连接到工频电网，转子绕组可以调节频率相位和幅度和相序。内部应用的变流器是交直交变流器。双馈异步发电机可确保风力涡轮机即使在使用期间风速不同时也能正常使用。而且发电机的转速还可以根据风速的改变来进行不断的调节，对于风力发电机的机组运行来讲始终处于最佳状态，风能的使用效率得到了极大的提高。而且在输出发电的过程中，可以实时控制馈入转子绕组的电流参数，从而实现恒定的电压和频率，并提高风力发电系统的稳定性。通过风力发电机对风力发电过程中的无人机运转功略以及输出功率进行全面控制，提高对输出以及发电的安全性，增加风电机组运行安全性与稳定性，提高风力发电经济效益以及社会效益。
　　3 结语
　　风力发电机在现今应用的越来越广泛，尤其是随着能源结构的不断改变，对于风力发电的重视程度也越来越高。在风力发电过程中，风力发电机的发电效率和运行安全性和稳定性是风力发电机组研究的重点。因此，在风电机组研究过程中，有必要不断研究原风机的发展趋势，不断整合高新技术，提高风机的随机运行效率。对于风力涡轮机的功率控制问题，有必要改进预定的风力涡轮機的结构和材料的质量，以提高风力涡轮机在不同风速下的运行效率。增加自然风能的捕获，提高风力发电的发电效率和质量。
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