风力发电技术和功率控制措施探究

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1、风力发电技术和功率控制措施探究　　摘要与石化能源相比，风能资源具有清洁环境、分布广泛、开再生、蕴藏量大、开发成本低等优点，因此该能源形式越来越受到世界各国的青睐。我国是风能资源蕴藏量大国，同时我国也拥有比较先进的风力发电技术，可见随着时代的进步，我国风电装机容量必将达到较高水平。文章主要探究风力发电技术及风力发电机组功率的控制措施，以提高我国风力发电技术水平。关键词风力发电技术；风力发电机组；功率控制中图分类号：TM315文献标识码：A文章编号：1671-7597（2014）04-0003-021风力发电技术5风力发电技术是一种将风能转换成电能的技术，其中风力发电

2、机组起着决定性的作用。我国是一个风能资源蕴藏量大国，因此集中力量开发风能资源已成为我国新能源开发的重要环节，甚至已制定出2020年风电发展目标（8.0*1010W）。随着时代的发展，我国风力发展技术也呈现出应有的发展态势，例如风电机组单机容量向大容量方向发展、风电场向海上风电方向发展、风力发电机组运行方式向变桨及变频恒频方向发展、风力发电机向无齿轮箱直驱式方向发展等。本章节主要针对后两项内容展开论述，以探明我国风力发电技术的发展态势。1.1风力发电机组运行方式向变桨、变频恒频方向发展与风力发电机组的恒速运行方式相比，变速运行方式允许根据风速的变化情况对风力机的转速

3、进行实时调节，如此确保风力发电机始终保持最佳的运转状态，进而实现风能捕获量最大化，可见风力发电机组采取变速运行方式体现出生产成本低、风能捕获量大、风速适应性好、机械应力低、生产效率高等优点。除此以外，变桨距比定桨距更优，即变桨距对稳定机组输出功率、增强机组起动性能、控制机组结构受力载荷至关重要，同时若切出风速比风速高，那么经桨叶顺桨亦能对风机起到保护作用，进而延长风机的使用寿命。然而上述发展举措尚待完善，因为变桨装置的增加势必增加故障的概率，同时导致控制程序复杂化。1.2风力发电机向无齿轮箱直驱式方向发展5与有齿轮箱相比，无齿轮箱直驱式永磁风力发电机要求发电机轴与

4、叶轮轴直接连接，如此直接省去增速齿轮箱的举措对实时改变转子的转速及输出交流电的频率起着重要作用，同时也体现出风力发电系统高效率及高可靠性的特点。无齿轮箱直驱式风力发电机作为国际一流风力发电机，其主要借助低速多极永磁发电机及全功率变频器来实现风电到电网的过程。实践证实，直驱式风力发电机的应用能够实现系统的高效率及高可靠性，因此具有较大的应用前景，同时永磁电机也表现出能量密度大、运行效率及可靠性高、造价越来越低的特点，因此此类发电机必定长时间占据国际市场。2风力发电机组功率的控制措施由前文可知，风力发电机组对实现风力发电起着决定性的作用，因此严格控制风力发电机组的功率

5、非常必要。风力发电机组功率的控制包括风力发电机变桨距及风力发电机偏航的控制，而常用的控制方法包括基于风速的输出功率控制法及基于风向标与输出功率的偏航控制法。本文结合有关理论依据，着重介绍基于风速的输出功率控制法，以探究变桨距的详细控制流程。基于风速的输出功率控制法是指当风速的波动值介于额定风速与切入风速间时，通过控制变速的方式来获取最佳功率曲线及最大功率，同时当风速波动值介于切出风速与额定风速间时，通过控制变桨距的方式来调整桨叶桨距角，直至额定功率始终保持恒定状态。根据上述定义可知，基于风速的输出功率控制法要求根据实时风速选用最佳的控制手段，如此实现输出功率及风能

6、利用效率最大化，及提高风力发电机运行的可靠性、稳定性（见图1）。除此以外，上述定义同时也体现出基于风速的输出功率控制主要是指对变桨的控制。如图1所示，变桨控制的实现包括五大步骤，下文对此进行简单介绍。5备注：V-风速；P-功率；P*-功率给定值；λ-尖速比；λopt-最优尖速比；ω-风轮角速度；ω*-风轮角速度给定值；n-齿轮箱传动比；R-风轮半径；β-桨距角；CP-风能系数。图1基于风速的功率控制流程图第一步：风力发电机组并网施工以后，对控制系统进行初始化处理，注意桨距角β取0，同时对风速的实时情况进行判断。第二步：若切入风速>风速，那么风力发电机没有任何动作。

7、第三步：若风速波动值介于额定风速与切入风速间，那么应该随即实施变速控制，即根据转速信号（源自转速传感器），经DSP控制器完成驱动信号的传送，此时再经齿轮箱完成发电机转速ω的调节，同时再与给定值ω*进行比较，如此形成完整的闭环反馈自动控制系统，以获取最佳功率曲线、最佳风能系数CP-max（CP（λopt，0））及最大功率Pt（1/2ρπR2（λopt，0）λ3）。5第四步：若额定风速风速，那么应随即停止变速控制器继续动作及开始变桨距控制器动作，即比较功率给定值P*与功率信号P（源自功率传感器）以后，再经DSP控制器完成驱动信号的传送，以此促使液压变桨距机构发生动作来

8、实现对桨叶