摘 要 與石化能源相比，風(fēng)能資源具有清潔環(huán)境、分布廣泛、開再生、蘊(yùn)藏量大、開發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此該能源形式越來越受到世界各國的青睞。我國是風(fēng)能資源蘊(yùn)藏量大國，同時(shí)我國也擁有比較先進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，可見隨著時(shí)代的進(jìn)步，我國風(fēng)電裝機(jī)容量必將達(dá)到較高水平。文章主要探究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率的控制措施，以提高我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；功率控制

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）04-0003-02

1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起著決定性的作用。我國是一個(gè)風(fēng)能資源蘊(yùn)藏量大國，因此集中力量開發(fā)風(fēng)能資源已成為我國新能源開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，甚至已制定出2020年風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)（8.0*1010W）。隨著時(shí)代的發(fā)展，我國風(fēng)力發(fā)展技術(shù)也呈現(xiàn)出應(yīng)有的發(fā)展態(tài)勢，例如風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量向大容量方向發(fā)展、風(fēng)電場向海上風(fēng)電方向發(fā)展、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行方式向變槳及變頻恒頻方向發(fā)展、風(fēng)力發(fā)電機(jī)向無齒輪箱直驅(qū)式方向發(fā)展等。本章節(jié)主要針對(duì)后兩項(xiàng)內(nèi)容展開論述，以探明我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢。

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行方式向變槳、變頻恒頻方向發(fā)展

與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的恒速運(yùn)行方式相比，變速運(yùn)行方式允許根據(jù)風(fēng)速的變化情況對(duì)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，如此確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)始終保持最佳的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能捕獲量最大化，可見風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采取變速運(yùn)行方式體現(xiàn)出生產(chǎn)成本低、風(fēng)能捕獲量大、風(fēng)速適應(yīng)性好、機(jī)械應(yīng)力低、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。除此以外，變槳距比定槳距更優(yōu)，即變槳距對(duì)穩(wěn)定機(jī)組輸出功率、增強(qiáng)機(jī)組起動(dòng)性能、控制機(jī)組結(jié)構(gòu)受力載荷至關(guān)重要，同時(shí)若切出風(fēng)速比風(fēng)速高，那么經(jīng)槳葉順槳亦能對(duì)風(fēng)機(jī)起到保護(hù)作用，進(jìn)而延長風(fēng)機(jī)的使用壽命。然而上述發(fā)展舉措尚待完善，因?yàn)樽儤b置的增加勢必增加故障的概率，同時(shí)導(dǎo)致控制程序復(fù)雜化。

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)向無齒輪箱直驅(qū)式方向發(fā)展

與有齒輪箱相比，無齒輪箱直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)要求發(fā)電機(jī)軸與葉輪軸直接連接，如此直接省去增速齒輪箱的舉措對(duì)實(shí)時(shí)改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速及輸出交流電的頻率起著重要作用，同時(shí)也體現(xiàn)出風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)高效率及高可靠性的特點(diǎn)。無齒輪箱直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為國際一流風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其主要借助低速多極永磁發(fā)電機(jī)及全功率變頻器來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電到電網(wǎng)的過程。實(shí)踐證實(shí)，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的高效率及高可靠性，因此具有較大的應(yīng)用前景，同時(shí)永磁電機(jī)也表現(xiàn)出能量密度大、運(yùn)行效率及可靠性高、造價(jià)越來越低的特點(diǎn)，因此此類發(fā)電機(jī)必定長時(shí)間占據(jù)國際市場。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率的控制措施

由前文可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電起著決定性的作用，因此嚴(yán)格控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率非常必要。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率的控制包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距及風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航的控制，而常用的控制方法包括基于風(fēng)速的輸出功率控制法及基于風(fēng)向標(biāo)與輸出功率的偏航控制法。本文結(jié)合有關(guān)理論依據(jù)，著重介紹基于風(fēng)速的輸出功率控制法，以探究變槳距的詳細(xì)控制流程。

基于風(fēng)速的輸出功率控制法是指當(dāng)風(fēng)速的波動(dòng)值介于額定風(fēng)速與切入風(fēng)速間時(shí)，通過控制變速的方式來獲取最佳功率曲線及最大功率，同時(shí)當(dāng)風(fēng)速波動(dòng)值介于切出風(fēng)速與額定風(fēng)速間時(shí)，通過控制變槳距的方式來調(diào)整槳葉槳距角，直至額定功率始終保持恒定狀態(tài)。根據(jù)上述定義可知，基于風(fēng)速的輸出功率控制法要求根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速選用最佳的控制手段，如此實(shí)現(xiàn)輸出功率及風(fēng)能利用效率最大化，及提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性（見圖1）。除此以外，上述定義同時(shí)也體現(xiàn)出基于風(fēng)速的輸出功率控制主要是指對(duì)變槳的控制。

如圖1所示，變槳控制的實(shí)現(xiàn)包括五大步驟，下文對(duì)此進(jìn)行簡單介紹。

備注：V-風(fēng)速；P-功率；P*-功率給定值；λ-尖速比；λopt-最優(yōu)尖速比；ω-風(fēng)輪角速度；ω*-風(fēng)輪角速度給定值；n-齒輪箱傳動(dòng)比；R-風(fēng)輪半徑；β-槳距角；CP-風(fēng)能系數(shù)。

圖1 基于風(fēng)速的功率控制流程圖

第一步：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)施工以后，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理，注意槳距角β取0，同時(shí)對(duì)風(fēng)速的實(shí)時(shí)情況進(jìn)行判斷。

第二步：若切入風(fēng)速>風(fēng)速，那么風(fēng)力發(fā)電機(jī)沒有任何動(dòng)作。

第三步：若風(fēng)速波動(dòng)值介于額定風(fēng)速與切入風(fēng)速間，那么應(yīng)該隨即實(shí)施變速控制，即根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)（源自轉(zhuǎn)速傳感器），經(jīng)DSP控制器完成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的傳送，此時(shí)再經(jīng)齒輪箱完成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω的調(diào)節(jié)，同時(shí)再與給定值ω*進(jìn)行比較，如此形成完整的閉環(huán)反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)，以獲取最佳功率曲線、最佳風(fēng)能系數(shù)CP-max（CP（λopt，0））及最大功率Pt（1/2ρπR2（λopt，0）λ3）。

第四步：若額定風(fēng)速<風(fēng)速及切出風(fēng)速>風(fēng)速，那么應(yīng)隨即停止變速控制器繼續(xù)動(dòng)作及開始變槳距控制器動(dòng)作，即比較功率給定值P*與功率信號(hào)P（源自功率傳感器）以后，再經(jīng)DSP控制器完成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的傳送，以此促使液壓變槳距機(jī)構(gòu)發(fā)生動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)對(duì)槳葉槳距角的波動(dòng)范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而獲取處在變化狀態(tài)的風(fēng)能系數(shù)CP（λ，β），由此通過構(gòu)建完整的閉環(huán)反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)來維持額定功率的恒定狀態(tài)。

第五步：若切出風(fēng)速<風(fēng)速，那么應(yīng)隨即開始風(fēng)力發(fā)電機(jī)液壓剎車機(jī)構(gòu)動(dòng)作及停止風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)作，同時(shí)從電網(wǎng)中切出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

3 結(jié)束語

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量持續(xù)增加，同時(shí)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢相當(dāng)樂觀，此外風(fēng)能的規(guī)模化開發(fā)也逐漸被提上日程，以此實(shí)現(xiàn)風(fēng)力利用的可靠性及高效率。結(jié)合本文研究內(nèi)容可知，若想實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的規(guī)?；_發(fā)，除高度關(guān)注風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢以外，也應(yīng)該重視風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率的控制，特別應(yīng)加強(qiáng)對(duì)某些新型控制方法的研究，如此提高風(fēng)能規(guī)?；_發(fā)的安全性、高效性、可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]朱益飛.小功率風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用及效益分析[J].電力需求側(cè)管理，2010，12（5）.

[2]陳榮.直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及其發(fā)展[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，23（2）.

[3]潘令春.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)群協(xié)調(diào)控制及其遠(yuǎn)程控制[D].上海交通大學(xué)，2009.

作者簡介

趙強(qiáng)（1978-），男，陜西渭南人，助理工程師，本科，研究方向：風(fēng)力機(jī)運(yùn)行管理與維護(hù)。endprint