風力發(fā)電技術(shù)與功率控制策略

Summary：隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對能源需求與日俱增，傳統(tǒng)能源供給面臨巨大壓力。風力發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn)大幅緩解了社會生產(chǎn)對能源的需求，通過使用風力發(fā)電技術(shù)和功率控制，有效提高了風力發(fā)電機組風能的利用率?；诖?，本文重點分析了風力發(fā)電技術(shù)與功率控制策略。關(guān)鍵詞：風力發(fā)電技術(shù)；功率控制；策略風力發(fā)電在20世紀首次被研究，隨著人們不斷探索研究，通過飛機旋翼技術(shù)在航空領(lǐng)域的研究，研制出一種小型風力發(fā)電設(shè)備，該設(shè)備一研究出來就在一些風力較強島嶼上廣泛使用。隨著這項技術(shù)的不斷完善，風力發(fā)電技術(shù)也得到了廣泛推廣及應(yīng)用。一、風力發(fā)電技術(shù)概述1、工作原理。風力發(fā)電技術(shù)是指將風能通過風力發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。風力發(fā)電過程是把風能經(jīng)由機械能轉(zhuǎn)換為電能的過程，風能轉(zhuǎn)化為機械能的過程由風輪實現(xiàn)，機械能轉(zhuǎn)化為電能的過程由風力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)實現(xiàn)。在此過程中，風力發(fā)電機組大多為水平軸式風力發(fā)電機，其由多個部件組成，包括葉片、輪轂、增速齒輪箱、發(fā)電機、主軸、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等。2、特點。跟其他發(fā)電方式相比，風力發(fā)電具有獨特的特點。①可再生特點。風力發(fā)電是利用自然界中的風力，而風的形成由周圍空氣溫度不同形成，因此屬于一種可再生能源。②風力發(fā)電技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面相對更簡單，能在短時間內(nèi)完成相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。③在操作方面較簡單，而且所消耗成本低，所以受到了人們的青睞。二、風力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀近年來，隨著科技的不斷進步，風力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。風力發(fā)電應(yīng)用原理：通過風能設(shè)備，將由溫差引起的空氣流動轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。具體來講，是利用風能驅(qū)動風車葉片轉(zhuǎn)動，而葉片轉(zhuǎn)軸與增速器連接，促進轉(zhuǎn)速提升，將動能轉(zhuǎn)化為機械能，帶動發(fā)電機發(fā)電。風力發(fā)電特征為：風力發(fā)電技術(shù)的裝機規(guī)模逐年加大，風力發(fā)電應(yīng)用比重呈逐年增加趨勢；風力發(fā)電機功率不斷增加；海邊風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)逐漸商業(yè)化。海上風力發(fā)電干擾因素少，風速高且穩(wěn)定，發(fā)電量可觀?？捎冒l(fā)電機組有效進行風力發(fā)電；風力發(fā)電前期投入高，但運營費用較低。縱觀全球，風力渦輪市場發(fā)展速度較快，風力發(fā)電已在發(fā)電產(chǎn)業(yè)中占有不容忽視的地位。目前，市面上的風力渦輪的設(shè)計技術(shù)存在較大差異，主要體現(xiàn)在發(fā)電系統(tǒng)與風力渦輪的結(jié)合方式上。通過風速提高電機轉(zhuǎn)速，促進風能利用率最大化，保證有功、無功功率均處于可控狀態(tài)。三、風力發(fā)電功率控制策略1、變槳距控制。變槳距主要進行槳距角調(diào)節(jié)，在風電機組中，主動控制槳距角能克服其被動失速調(diào)節(jié)的影響。傳統(tǒng)定槳距發(fā)電機中，其葉片位置是固定的，在風速變化情況下會使?jié){葉出現(xiàn)變化。當前，定槳距發(fā)電機中面臨的問題包括：一方面是風速高于風速測定中功率控制，另一方面是在緊急關(guān)閉風力發(fā)電機時其安全性、性能方面的問題。當前，這些問題得到一定程度的改善，對變槳距的研究是當前的工作重點。這種發(fā)電機是一種非剛性的連接方式，能調(diào)節(jié)葉片，風的方向不同時能及時調(diào)整。在變化頻率較快情況下，葉片可保持最佳角度和輸出功率。在風速高于切出風速時，會使發(fā)電機工作及時停止，防止對設(shè)備造成損害。當前我國風電企業(yè)中，大型發(fā)電機組采用這一技術(shù)保證了運行的穩(wěn)定性。2、偏航控制。偏航控制系統(tǒng)是風力發(fā)電機控制系統(tǒng)重要組成的一部分。一般由偏航軸承、偏航制動器、偏航驅(qū)動裝置、偏航基數(shù)器、偏航液壓回路、扭纜保護等組成，用以實現(xiàn)與風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)配合，促使風輪始終處于迎風狀態(tài)，不僅能提高發(fā)電效率，還能保障機組運行中的安全性。偏航控制主要可分為兩類：被動、主動迎風偏航系統(tǒng)。第一種適用于小型發(fā)電機組或獨立發(fā)電機組，其尾舵控制在風向變化時被動迎風；第二種多用于大型并網(wǎng)型風力發(fā)電機組。由于風向?qū)崟r變化，所以應(yīng)不斷轉(zhuǎn)動機艙使風輪正面受風，保障風能捕獲率。3、風力發(fā)電機控制功率。由于風力渦輪機的構(gòu)造越來越大,用于構(gòu)建大型風力渦輪機的大多數(shù)發(fā)電機是雙饋異步風力渦輪機。在風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)中,定子繞組連接到工頻電網(wǎng),轉(zhuǎn)子繞組能調(diào)節(jié)頻率相位、幅度、相序。內(nèi)部應(yīng)用的變流器是交直交變流器。雙饋異步發(fā)電機可確保風力渦輪機即使在使用期間風速不同時也能正常使用。而且發(fā)電機的轉(zhuǎn)速還可根據(jù)風速改變不斷調(diào)節(jié),使風力發(fā)電機的機組運行始終處于最佳狀態(tài),風能的使用效率得到了極大提高。而且在輸出發(fā)電過程中,能實時控制饋入轉(zhuǎn)子繞組的電流參數(shù),從而實現(xiàn)恒定的電壓和頻率,并提高風力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過風力發(fā)電機對風力發(fā)電過程中的無人機運轉(zhuǎn)功略及輸出功率進行全面控制,提高對輸出及發(fā)電的安全性,增加風電機組運行安全性與穩(wěn)定性,提高風力發(fā)電經(jīng)濟、社會效益。四、風力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢1、容量將得到擴大。當前，風電機組的單機容量由小容量向大容量發(fā)展，當前主流機型一般在1MW以上，其單機容量可達到5MW，美國研制風力發(fā)電機可達到7MW。在未來，將會出現(xiàn)20MW、30MW甚至更大容量的風力發(fā)電機，制造業(yè)將從制造機器向建造發(fā)電站發(fā)展。2、風力發(fā)電變速恒頻向變速恒頻直驅(qū)永磁同步發(fā)電機方向發(fā)展。目前，風力發(fā)電的主流是變速恒頻風力發(fā)電機，在可靠性和變流技術(shù)上，變速恒頻直驅(qū)永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢。直驅(qū)永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)的使用，提高了系統(tǒng)的可靠性，全功率變流技術(shù)能很好地滿足低壓穿越要求。3、風力發(fā)電有齒輪箱向無齒輪箱發(fā)展。風力發(fā)電在發(fā)展中，會逐步由有齒輪箱到無齒輪箱的轉(zhuǎn)變。在電力生成過程中，齒輪損耗較大，而且齒輪在工藝方面難度也較大，因此無齒輪箱的發(fā)展能有效解決此問題。目前較先進的無齒輪箱是利用低速多級永磁發(fā)電機的原理，而且隨著科技的提高，這種技術(shù)也將得到更廣泛的應(yīng)用。另外，伴隨著這種永磁發(fā)電機增多，全功率變流技術(shù)也將得到更好地應(yīng)用，并且調(diào)速的范圍也得到較大提升，能擴展到0～150%的轉(zhuǎn)速。4、風力發(fā)電由陸地風電向海上風電的發(fā)展。當前，大多數(shù)的風力發(fā)電為陸上風力發(fā)電，而海上風力發(fā)電較少，但目前風力發(fā)電技術(shù)發(fā)達國家已逐步開始進行海上風力發(fā)電。海上風力發(fā)電基本原理與陸上風力發(fā)電基本原理趨同，但優(yōu)勢更明顯。在海上建造風力發(fā)電設(shè)備能節(jié)約陸上的土地資源，而且海洋上的風量要遠大于陸地上風量，能充分利用風能。目前我國的海上風力發(fā)電還處于研制開發(fā)階段。五、功率控制策略的一般方法1、基于風速的功率控制法。當實際風速處于切入風速及額定風速之間時，使用變速控制方法，實時追蹤、獲得發(fā)電機最佳功率；當風速處于切出風速及額定風速時，可采取變槳距控制法，通過調(diào)節(jié)槳葉及槳距角，保持發(fā)電機的額定功率。該方法能提高風能利用率，保證機組穩(wěn)定可靠性。2、基于風向標及輸出功率偏航控制法。當風向變化大于15度時，使用風向標控制法；反之，使用功率控制法。風向及風速變化會引起發(fā)電機輸出功率的變化，儀器測得的功率，只能在風向發(fā)生改變時方能進行偏航控制，風速的變化對控制方法而言僅作為干擾因素。該種方法能減短風機對風時間，提高其對風精度及發(fā)電機組的風能利用率，以及風力發(fā)電機組的使用壽命?？傊S著經(jīng)濟的發(fā)展，社會在不斷進步，風力發(fā)電是當前較新穎的發(fā)電方式，在使用中不會對環(huán)境造成污染，且造價低廉。當前全球的氣候都在逐漸變暖，而在這種背景下，風力資源作為一種清潔能源得到了廣泛應(yīng)用。當前各國都在積極研究風力發(fā)電技術(shù)，在風力發(fā)電機工作中如何有效控制發(fā)電功率是整個風力發(fā)電機正常工作的重點。Reference：