風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率控制策略

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率控制策略

Summary：隨著社會經(jīng)濟(jì)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電技術(shù)和功率控制，有效提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能的利用率。基于此，本文重點分析了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率控制策略。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)；功率控制；策略風(fēng)力發(fā)電在20世紀(jì)首次被研究，隨著人們不斷探索研究，通過飛機(jī)旋翼技術(shù)在航空領(lǐng)域的研究，研制出一種小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，該設(shè)備一研究出來就在一些風(fēng)力較強島嶼上廣泛使用。隨著這項技術(shù)的不斷完善，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也得到了廣泛推廣及應(yīng)用。一、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)概述1、工作原理。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是指將風(fēng)能通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電過程是把風(fēng)能經(jīng)由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程由風(fēng)輪實現(xiàn)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程由風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)實現(xiàn)。在此過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多為水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其由多個部件組成，包括葉片、輪轂、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、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(fēng)力發(fā)電具有獨特的特點。①可再生特點。風(fēng)力發(fā)電是利用自然界中的風(fēng)力，而風(fēng)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀近年來，隨著科技的不斷進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用原理：通過風(fēng)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(fēng)能驅(qū)動風(fēng)車葉片轉(zhuǎn)動，而葉片轉(zhuǎn)軸與增速器連接，促進(jìn)轉(zhuǎn)速提升，將動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電特征為：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的裝機(jī)規(guī)模逐年加大，風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用比重呈逐年增加趨勢；風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率不斷增加；海邊風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)逐漸商業(yè)化。海上風(fēng)力發(fā)電干擾因素少，風(fēng)速高且穩(wěn)定，發(fā)電量可觀。可用發(fā)電機(jī)組有效進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)力發(fā)電前期投入高，但運營費用較低。縱觀全球，風(fēng)力渦輪市場發(fā)展速度較快，風(fēng)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(fēng)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(fēng)力渦輪的結(jié)合方式上。通過風(fēng)速提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，促進(jìn)風(fēng)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(fēng)力發(fā)電功率控制策略1、變槳距控制。變槳距主要進(jìn)行槳距角調(diào)節(jié)，在風(fēng)電機(jī)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(jī)中，其葉片位置是固定的，在風(fēng)速變化情況下會使?jié){葉出現(xiàn)變化。當(dāng)前，定槳距發(fā)電機(jī)中面臨的問題包括：一方面是風(fēng)速高于風(fēng)速測定中功率控制，另一方面是在緊急關(guān)閉風(fēng)力發(fā)電機(jī)時其安全性、性能方面的問題。當(dāng)前，這些問題得到一定程度的改善，對變槳距的研究是當(dāng)前的工作重點。這種發(fā)電機(jī)是一種非剛性的連接方式，能調(diào)節(jié)葉片，風(fēng)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(fēng)速高于切出風(fēng)速時，會使發(fā)電機(jī)工作及時停止，防止對設(shè)備造成損害。當(dāng)前我國風(fēng)電企業(yè)中，大型發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(hù)等組成，用以實現(xiàn)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)配合，促使風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，不僅能提高發(fā)電效率，還能保障機(jī)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(fēng)偏航系統(tǒng)。第一種適用于小型發(fā)電機(jī)組或獨立發(fā)電機(jī)組，其尾舵控制在風(fēng)向變化時被動迎風(fēng)；第二種多用于大型并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。由于風(fēng)向?qū)崟r變化，所以應(yīng)不斷轉(zhuǎn)動機(jī)艙使風(fēng)輪正面受風(fēng)，保障風(fēng)能捕獲率。3、風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制功率。由于風(fēng)力渦輪機(jī)的構(gòu)造越來越大,用于構(gòu)建大型風(fēng)力渦輪機(jī)的大多數(shù)發(fā)電機(jī)是雙饋異步風(fēng)力渦輪機(jī)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)可確保風(fēng)力渦輪機(jī)即使在使用期間風(fēng)速不同時也能正常使用。而且發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速還可根據(jù)風(fēng)速改變不斷調(diào)節(jié),使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)組運行始終處于最佳狀態(tài),風(fēng)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)對風(fēng)力發(fā)電過程中的無人機(jī)運轉(zhuǎn)功略及輸出功率進(jìn)行全面控制,提高對輸出及發(fā)電的安全性,增加風(fēng)電機(jī)組運行安全性與穩(wěn)定性,提高風(fēng)力發(fā)電經(jīng)濟(jì)、社會效益。四、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢1、容量將得到擴(kuò)大。當(dāng)前，風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量由小容量向大容量發(fā)展，當(dāng)前主流機(jī)型一般在1MW以上，其單機(jī)容量可達(dá)到5MW，美國研制風(fēng)力發(fā)電機(jī)可達(dá)到7MW。在未來，將會出現(xiàn)20MW、30MW甚至更大容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，制造業(yè)將從制造機(jī)器向建造發(fā)電站發(fā)展。2、風(fēng)力發(fā)電變速恒頻向變速恒頻直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)方向發(fā)展。目前，風(fēng)力發(fā)電的主流是變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)，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(jī)系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢。直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電有齒輪箱向無齒輪箱發(fā)展。風(fēng)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(jìn)的無齒輪箱是利用低速多級永磁發(fā)電機(jī)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(jī)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(kuò)展到0～150%的轉(zhuǎn)速。4、風(fēng)力發(fā)電由陸地風(fēng)電向海上風(fēng)電的發(fā)展。當(dāng)前，大多數(shù)的風(fēng)力發(fā)電為陸上風(fēng)力發(fā)電，而海上風(fēng)力發(fā)電較少，但目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)達(dá)國家已逐步開始進(jìn)行海上風(fēng)力發(fā)電。海上風(fēng)力發(fā)電基本原理與陸上風(fēng)力發(fā)電基本原理趨同，但優(yōu)勢更明顯。在海上建造風(fēng)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(fēng)量要遠(yuǎn)大于陸地上風(fēng)量，能充分利用風(fēng)能。目前我國的海上風(fēng)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(fēng)速的功率控制法。當(dāng)實際風(fēng)速處于切入風(fēng)速及額定風(fēng)速之間時，使用變速控制方法，實時追蹤、獲得發(fā)電機(jī)最佳功率；當(dāng)風(fēng)速處于切出風(fēng)速及額定風(fēng)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(jī)的額定功率。該方法能提高風(fēng)能利用率，保證機(jī)組穩(wěn)定可靠性。2、基于風(fēng)向標(biāo)及輸出功率偏航控制法。當(dāng)風(fēng)向變化大于15度時，使用風(fēng)向標(biāo)控制法；反之，使用功率控制法。風(fēng)向及風(fēng)速變化會引起發(fā)電機(jī)輸出功率的變化，儀器測得的功率，只能在風(fēng)向發(fā)生改變時方能進(jìn)行偏航控制，風(fēng)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(fēng)機(jī)對風(fēng)時間，提高其對風(fēng)精度及發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能利用率，以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的使用壽命?？傊S著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會在不斷進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)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(dāng)前全球的氣候都在逐漸變暖，而在這種背景下，風(fēng)力資源作為一種清潔能源得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)前各國都在積極研究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作中如何有效控制發(fā)電功率是整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作的重點。Reference：