发电系统控制技术应用研究 - ---以风力发电进行探讨

发电系统控制技术应用研究 - ---以风力发电进行探讨

王正玉

黑龙江龙源新能源发展有限公司驿马山风电场 黑龙江佳木斯 154000

摘要：随着发电技术的发展，风力发电技术在我国得到了普遍应用，而风力发电过程中风力发电系统控制技术是促进风力发电技术进一步发展的重要基础和影响因素，但是，随着我国社会经济发展和人类生活对电力需求的增大，我国原有的风力发电系统控制技术已无法满足现代风力发电技术的高要求，阻碍了风力发电技术的进一步发展。本文对发电系统控制技术应用研究---以风力发电进行相关探讨。

关键词：风力发电；控制技术；应用研究

一、风力发电系统的工作原理

风力发电主要是利用风能进行发电，它是新型清洁能源开发后最为重要且效果显著的发电方式。风力发电系统的组件主要包括了叶轮、发电机、变流器等。其中，叶轮的主要作用是收集风能后将其转化为机械能，然后通过风力发电系统的发电机将其转化为电能且电流为交流电；经发电机转化的交流电又通过变流器转换为与电网电压相同的交流电，最后通过变压器并入电网运行。其工作原理图如图1所示。

图1 风力发电系统工作原理图

二、风力机最佳运行原理

通过相关研究后可知，影响风力机最佳运行的主要原因有3个：一是叶轮收集的风能；二是发电机的实际运行功率；三是发电机对风速的反馈效率。通过分析动力学的相关理论知识可知，风力机叶轮收集的风能转换后的机械输出功率（P）可用以下公式表示：

（1）

（2）

在公式（1）和（2）中，各变量的表达含义见表1。

表1 公式（1）和（2）中各变量的表达含义

在公式（1）中可以得到以下结论：1）如果风速（V）固定，风轮的吸收功率（Pr）与风轮的半径（R）呈正相关关系，即当风轮的半径越大，风轮吸收的功率也越强。但是，如果风轮的半径过大，不仅会增加风轮的成本，还会加大风轮安装的难度。2）如果风轮的半径（R）为固定值，风轮的吸收功率（Pr）与风速（V）呈正相关关系，即当风速越大时，风轮的吸收功率越大。所以，为了提高风轮的吸收功率，要尽可能地将风力发电系统安装在高度较高的区域，这是因为，同一个地方，风力发电系统的位置越高，风轮的风速也就越大。3）发电系统风轮的吸收功率（Pr）与风轮的叶片数量无关，但是却与发电机系统周围的空气密度（ρ）呈正相关关系。4）通常情况下，风力机的功率系数（Cp）不可作为常数，且最大值为0.593，但却会因为风速（V）、风轮旋转角速度（ω）以及桨距角（β）的改变而发生变化。

1、变桨距调节

变桨距调节主要是在定桨距风力发电机组的基础上通过调节叶轮叶片的攻角对风力发电机功率进行调节。当风力发电机调节功率超出额定功率时，桨距角（β）开始朝着风力较小的一面转动一定角度，此时桨距角（β）与攻角（α）呈负相关关系，当风力发电系统并网运行后，变桨距机组运行时通过控制叶轮的转速实现对风力发电机功率的调节。

2、主动失速调节

主动失速调节是变桨距调节与定桨距失速调节的有机结合。当风力发电机的风速较低时，需要使用变桨距调节的方式对风力发电机的功率进行调节，从而不断提高风力机的气动效率；当风力机的功率到达额定功率时，通过桨距失速调节方式让桨距角（β）朝着风力较小的一面转动一定角度，此时攻角（α）开始增大，并加深了叶轮叶片的失速性，风力机收集风能的能力下降，从而稳定的风力发电机的功率。

三、风力发电系统控制技术的实际应用

我国的风力发电系统控制技术常用于陆地发电建设以及海上风力发电建设。但是，在陆地发电建设的过程中，由于社会的用电需求量不断地增加，导致陆地发电站的规模不断扩大，占用了大量的土地资源。并且，有大部分的陆地发电站距离城市较近，陆地发电的功能容易受到城市高大建筑物的影响，风力发电系统控制技术不能够发挥最佳状态，导致风力发电效率低下，经济性不强且造成了土地资源浪费。可是，随着我国风力发电系统控制技术的发展，相关电力专家开始将风力发电系统控制技术应用于海上风力发电建设领域中。海上不同于陆地，它的风力资源更加丰富，并且，通过上文风力机最佳运行原理的研究可知，叶轮收集的风能是影响风力机最佳运行的原因之一，如果在海水较浅的区域建设海上风力发电站，风力机所能收集的风能远大于内陆，风力发电机所产生的功率大约是陆地的1.5倍。但是，由于海上风力发电站的建设成本过高，且海上风力发电系统控制技术的应用还不成熟，存在着一些缺陷，还需要进一步加强对海上风力发电技术的研究。

四、风力发电新技术

1、气动风轮建模

气动风轮的机械功率共有叶片元素动量算法和功率系数算法两种计算方式，使用叶片元素动量算法需要掌握气动风轮叶片上的空气动力数据，使用功率系数算法需要掌握气动风轮的功率系数曲线，功率系数曲线通常都由生产厂商提供。该曲线的表现形式通常为Cp（λ,β），λ和β分别代表叶尖速比以及桨距角。另外通过叶片元素动量也能够得到功率系数曲线。叶片元素动量算法以及功率系数算法都属于静态算法，在气动风轮高速变桨时的计算精度会有所下降，因此为了提高这两种算法的精度需采用相应的动态模型。另外，如果风电机组使用的是变速风轮，还应考虑风速的影响并用区间法建立气动风轮模型。

2、轴系建模技术

轴系将风电机组的各个部分连接，其中风轮侧的轴系转矩为Tm，在发电机侧的轴系转距为Te，因轴系关系到风力发电系统是否能够稳定运行，因此在研究整个发电系统之前，必须对轴系进行明确。轴系可依据刚度进行分类，共有两质量块模型和集总质量模型，其中两质量块模型在风电机组的研究中使用较多，这种模型精度比较高但是特别复杂，而且数量也特别多，因此如果轴系刚度足够也可以使用集中质量模型。轴系感应电机模型共有三种，分别为8阶、5阶和3阶。其中8阶最为精确，但是计算的难度非常高，5阶的计算难度适中，虽然精度不如8阶但是应用较为广泛，3阶使用的是接近值算法，在对精度要求不是非常严格的时候会使用。

3、大型风电场建模

在大型风电场的建模中通常会使用详细模型或者是综合模型，使用哪个模型要以具体研究的焦点为准，如果对大型风电场和电网故障的关系进行研究可以使用综合模型，它的好处就是模型简单，相应的计算过程并不复杂，不需要投入过多的时间，缺点是计算结果的准确程度可能会有所降低，因此如果使用综合模型，必须尽量提升计算结果的准确性。为了更好地分析大型风电场介入电网时的稳定性，还可以使用等值建模，使用的方式有一台风机和一台发电机与多台风机和一台发电机以及多台风机和多台发电机之间的关系，等值的具体过程如下：首先，构建两台风机间的出力关系，并分析两台风机在一起的时候具体的出力效果，进而分析风机出力和电机间的具体联系。其次，如果确定了风机对发电机的影响，就可以通过一对一、多对一以及多对多的方式进行等值建模，接下来就可以对风电场结网点的稳定性进行分析。

结束语

综上所述，随着国家社会经济的不断发展，我国的储存能源也在不断减少，环境也遭受到了一定程度的破坏，能源和环境问题日益突出，也越来越受到大家的关注，而风能作为我国的清洁能源之一，将其应用于发电技术中，遵循了我国绿色可持续发展理念，风力发电技术也成了我国最为常见的发电技术之一。目前，我国的风力发电主要有陆地风力发电和海上风力发电2类，给我国经济社会发展和人类生活提供了所需的电力。但是，由于我国的风力发电系统控制技术还存在着较大缺陷，导致我国风力发电效率较低，极大地影响了我国风力发电技术的进一步发展。所以，为了提高我国的风力发电技术，必须要加强对风力发电系统控制技术的研究。

参考文献

[1]梁佳斌.风力发电并网技术及电能质量控制对策分析[J].电工技术，2018(12)：69-70.

[2]周利鹏.风力发电并网技术及电能质量控制措施探讨[J].科技创新导报，2018(36)：55-56.