风力发电技术的应用

风力发电技术的应用

陈义锦

511124199401200088 四川省眉山市 620000

摘要：风能由地球表面产生的空气流动生成。各个区域接受的太阳辐射存在差异，空气中的水蒸气含量也有所不同，因此，各个区域的气压也不尽相同。在水平走向上，高压空气会流向低压区域，从而生成风。风能资源的利用效率和风能的密度有直接关系，风力发电机是风力发电的主要装置，控制风能转化率，维系风力发电机的正常工作，加强对发电系统的控制，对于风力发电而言至关重要。

关键词：风力发电；新能源发电；电力系统

中图分类号：TM614

文献标识码：A

引言

随着风力发电的迅速发展，分布式风力发电并网问题越来越受到人们的重视。尽管风电具有环境友好、绿色清洁和可再生等诸多优点，但其具有较强的波动性和随机性，容易受自然因素影响，导致电网中电能质量发生变化。风电机组并网运行时，会对电力系统中原有的潮流分布、电压和频率产生影响。我国风电场主要分布在西北地区，东北地区也有风电场正在建设，但是并网条件较为严苛，还有部分风电场受地形等因素影响无法并入电网运行。总之，研究分布式风力发电并网对电力系统的影响对完善电力系统具有十分重要的意义。

1风力发电机的构成

风力发电机是一种动力装置，其组成通常包括发电机、风轮、齿轮箱、尾舵、塔架等。其中，发电机的功能是通过升速将风轮所获得的恒定转速传送至发电机构，使机械能转换为电力。风轮是由若干个叶片组成的，可以将风能转换为机械能的重要部件。当风吹到桨叶上时，风轮转动，在桨叶上产生气动力。桨叶需要使用高强度、轻重量的建造材料，目前多采用玻璃钢或碳素纤维等复合材料。风轮转速较低，风速的大小和方向经常会发生变化，使风轮转速不稳定。因此，在驱动发电机前，必须使用齿轮箱，将风轮转速提升至发电机标定转速，再加入调速机构，使风轮转速保持平稳，才能与发电机相连。在风轮后方也需要安装类似风向标的尾舵，以保持风轮始终对准风向，以获得最大动力。双轮结构属于新型的风轮结构，双轮之间会形成涡流力，产生“双轮效应”。塔架是用来支撑风轮、尾舵和发电机的构架。为了获得更大更均匀的风力，塔架一般都建得比较高，高度在6～20m，根据地面障碍物对风速的影响程度和风轮直径大小而定。

2新时期新能源风力发电相关技术分析

2.1风力发电并网

在智能电网中，风力发电系统主要借助并网发电机（双速异步电机、双馈机和变速异步发电机等）实现并网发电。为充分发挥风机并网功效，需要引入模糊控制技术，保证风机并网后的功率与转速。与此同时，可以利用神经网络技术调整风机叶片桨距，进一步提升风机并网后的整体供配电质量[3]。目前，主要的风力发电并网方式包括异步发电机组并网、基于晶闸管的软并网、同步发电机组并网和双馈发电机组并网。

（1）异步发电机组并网。分为直接并网和降压并网两种类型，其中直接并网适用于异步发电机功率在百千瓦级以下、但电网容量较大的情况，该并网方式的缺点在于可能在并网阶段产生较大冲击电流和电网电压下降。降压并网是在异步电机和电网之间串接电阻或电抗器，也可接入自耦变压器，以降低并网合闸阶段的冲击电流，减小电压下降幅度，降压并网的缺点在于电阻、电抗器元件会消耗功率，并网成功后需快速切除这些元件。

（2）基于晶闸管的软并网。是在异步电机定子和电网之间连接每相穿入的双向晶闸管，确保三相均由晶闸管控制，双向晶闸管两端并联于并网自动开关动合触头。该并网方式的优点在于可省去一个并网自动开关，控制简单，且可避免自动开关触头弹跳、磨损、粘着现象。

（3）同步发电机组并网。是利用变频装置将风力机驱动的同步发电机并联于电网，该并网方式采用变频变换装置控制输出，不存在电流冲击，且在“交-直-交”形式下，同步发电机组和电网的频率相互独立，风轮与发电机转速可随时发生变化，无须担心失步问题。

（4）双馈发电机组并网。该并网方式的特点在于在发电机侧和电网侧分别安装脉冲整流器，在低风速条件下，发电机输出的交流电压基于电机侧脉冲整流器升压，能够保障电网侧脉冲整流器的正常工作。

2.2优化电力系统结构

分布式风力发电并网可能导致电力系统稳定性下降。工作人员需要根据风压和风能利用率等数据计算风速、风能密度、功率等参数，构建风电出力模型，从而优化电力系统结构。对分布式风力发电系统与电力系统进行有效连接，可以保证电压符合要求；利用无功补偿设备对系统中的有功功率进行调整，通过并联电容器调节电力系统中的有功功率，可以提高电网的功率因数和稳定性，保证电网中有足够的电容器容量。

风力发电机的转速由旋转马达的转速和风轮叶片的切向速度决定。风力发电机具有惯性和阻尼特性，在转动过程中可以降低频率偏差现象发生的可能性，当无功功率变化范围较大且不能及时调整时，会使电网电压波动加大。因此，在分布式风力发电并网时需要通过调节无功功率维持电网电压的稳定，工作人员应该优化传统有功和无功控制方法，并在此基础上增加电压调整环节，优化电力系统结构。同时，为了消除谐波对电网造成的影响，在分布式风力发电并网过程中，工作人员应该设计合理的整流器和逆变器控制方案，通过设置功率开关元件（投切电容器、调相机、闸刀等）和优化电网结构（减少线路阻抗、增加线路长度等）减少谐波电流的流入，从而实现谐波治理。

2.3模糊控制技术

模糊控制技术是智能控制技术的一种典型技术，其最大特点是不依赖被控物的精确数学模型，可以克服非线性因素的影响，对被控物的参数鲁棒性很强。模糊控制技术非常合适用于风力发电机的控制，但对于风力发电机控制而言，简单的模糊控制技术精度不高，会出现稳态误差，需要利用专家知识才能确定规则，应变能力不足。模糊控制系统的组成包括模糊输入界面、模糊推理系统和模糊输出接口。模糊输入界面的主要功能可确保精准量模糊化，便于进行日后的推理和决策；模糊推理系统由规则库（知识库）和推理机组成，其主要功能是模拟人的思考，根据人为的控制策略，归纳得到语言规则，从而推理出模糊的输出控制量；模糊输出接口的主要功能是利用模糊推理决策，把输出模糊量转换成准确的控制量，然后再通过模糊控制获得模糊控制量，从而进行模糊判断。

2.4人工神经网络控制技术

人工神经网络控制技术具有非线性映射性，可以采用任何非线性模型，并通过自学习和自收敛来获得自适应控制器。学习方式包含模式识别、神经网络、支持向量机等。在风力发电机智能控制中，可以根据以前的数据通过神经网络来预测风速的改变。利用网络学习和修正特征曲线、神经网络控制器，能够在较低的桨距内实现风能的最大捕获，降低机械负载矩，从而从运行机组中获得大量的机组动力学特征。

结束语

在风力发电技术飞速发展背景下，我国风力发电建设规模不断扩大。虽然目前我国风力发电产业规模已位居全球第二，但我国风力发电核心技术创新仍处于初步探索时期，风力发电技术在各领域的应用也尚浅。在未来发展中，相关部门应进一步探索风力发电技术可应用领域，并促进理论与实践的融合，同时加强政策支持与引导，从而进一步推动我国风力发电技术的进步，全面提升风能资源利用率，加快“碳达峰、碳中和”目标的实现。

参考文献

[1]赵东海.风力发电技术的应用现状与展望[J].光源与照明,2022(11):158-160.

[2]周坤,许云飞,崔昊杨,等.基于预测控制的多种新能源互补电力系统动态调度模型[J].现代电力,2021,38(3):248-257.

[3]严继超,车登涛,谢博杰,等.基于涡扇螺旋磁电机的新能源汽车节能技术研究[J].机电工程技术,2021,50(10):105-107.