风力发电技术与功率控制策略初探吴群--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

风力发电技术与功率控制策略初探吴群

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：吴群

[导读] 摘要：随着社会经济的快速发展，人们对能源的需求越来越大，传统的能源供给面临巨大的压力。

        (新疆达坂城新能风力发电有限责任公司新疆乌鲁木齐 830076)
        摘要：随着社会经济的快速发展，人们对能源的需求越来越大，传统的能源供给面临巨大的压力。风力发电技术的出现，极大地缓解了社会生产中的能源需求问题。在使用风力发电技术的同时通过功率控制，有效提高了风力发电机组风能的利用率。论文主要对风力发电技术做了分析，探讨了风力发电技术功率控制策略。
        关键词：风力发电技术；功率控制；策略
        引言
        相对于传统能源来说，风能的开发利用不仅成本低，而且环保安全，最重要的是风能是可再生能源。目前风能的开发利用主要是风力发电。在实际工作中，风力发电机组对风力的利用率是比较低的，因此专家对风力利用率的提高技术研究一直没有间断。
        风力发电技术的主要原理是利用风力机来推动发电机，然后转换为电能的一种新的发电技术。目前风力发电技术已经趋于成熟，得到大规模的应用，它的主要优点是：占地面积小和丰富的储量。但目前风力发电的成本虽然低于太阳能发电，但远远的高于传统的火力发电的方式，所以如何控制风力发电的成本是风力发电技术有待解决的重点问题之一，风力发电的另一核心技术是如何对功率进行控制，这也是本文研究的重点问题。
        1风力发电技术概述
        1.1风力发电的特点
        风能发电在近10年来已取得飞速发展，目前，全球风电装机容量已近4270亿MW。风力发电技术能够得到大量的推广与它的特点是分不开的。风能属于可再生能源，风力发电有充足的能源支持；风力发电技术建设周期短，安装规模灵活。风力发电基础设施可以在有足够风能的最短时间内建成，风能可以以最快的速度转化成所需的电能。由于可靠性高、成本低，风力发电的推广和使用迅速提高。风力发电在操作和操作上也相对简单，风力发电的建筑面积小。风力发电具有能源丰富、操作简单、成本低、无污染等特点。
        1.2风力发电技术原理
        风力发电技术是指通过风力发电机将风能转化为电能的技术。风力发电的过程是通过机械将风能转化为电能的过程，风能转化为机械能的过程是通过风轮实现的，机械能转化为电能的过程是通过风力发电机及其控制系统实现的。风力发电技术的基本原理是通过风轮将风的动能转化为机械能，然后驱动发电机发电成为电能。在这个过程中，风力发电机组大多为水平轴式风力发电机，它由多个部件组成，包括叶片、轮毂、增速齿轮箱、发电机、主轴、偏航装置、控制系统、塔架等。
        2风力发电技术的现状
        目前，随着我国科学技术的不断发展，风力发电技术也得到广泛应用。风力发电的基本原理是利用风能设备将温差引起的气流连续转换成电能。事实上，它是利用空气中的动能，也就是”风能”来带动风车设备的叶片的旋转，之后把叶子的转轴连接到增速机器上提高旋转的速度，从而把机械的动能向机械能转化，之后通过转轴带动发电机起到发电的作用。风力发电技术的特点主要表现在：
        2.1风力发电的发电机的单机容量同样在增长。
        2.2海上风力发电厂的发展趋势越来越商业化。就海上风力发电来说，具有的特点是风力稳定，受到外界的干扰比较少，风速也比较高，发电量相对比较大，在海上进行风力发电能够很好的利用发电机组来进行。
        2.3就风力发电技术的装机规模来说，有逐年增大的趋势，利用风能进行发电的数量比例也在逐年增加。
        2.4风力发电的建设游资成本比较高，但是其运营费用相对不高。世界风力发电市场正以更快的速度增长。风力发电已经在发电行业占据了重要地位。市场上各种风力涡轮机发电设计技术存在明显差异。主要区别之一是不同发电系统和风力涡轮机组合之间的差异。一项新技术已广泛应用于风力发电行业，可以更好地利用风力提供能源。这项新技术是风速来确定大型电动机的转速，这样发电机捕获的能量会更高，并且更容易控制其有功功率和无功功率。
        3风力发电技术的基本趋势
        3.1逐步发展海上风电
        现在大多数的风力发电为陆上的风力发电，而海上的风力发电较少，但是目前风力发电技术发达的国家已经逐步开始进行海上的风力发电。海上风力发电的基本原理与陆上风力发电的基本原理趋同，但是优势更加明显。在海上建造风力发电设备可以节约陆上的土地资源，而且海洋上的风量要远远大于陆地上的风量，可以充分利用风能。目前我国的海上风力发电还处于研制开发阶段。

期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆

        3.2不断提高发电效率
        近年来，随着科学技术的不断进步，风力发电技术取得了明显进步，但是从经济效益来看，风力发电设备单元的使用寿命较短，使用寿命通常不超过20年，而风力发电设备更昂贵，加上日常维护，整体成本更高。因此，风力发电技术正朝着高效发电的方向发展。通过技术设计的不断优化，降低了风力发电设备的负荷，通过风力发电技术的改进，提高了发电效率。
        3.3风力发电容量逐渐增大?
        目前风力发电首要趋势就是发电的容量逐渐增大，目前风力发电基本都在1兆瓦以上，其中最大的容量已经达到了5兆瓦。目前一些发达国家，例如德国、日本，已经研制出7兆瓦以上的风力发电机组，而美国正在研制10兆瓦的发电机。从世界各国家风力发电的研究趋势显示，未来五十年，风力发电的容量最高将达到50兆瓦。
        4功率控制的有效策略
        4.1功率控制的运作流程
        在风力发电功率控制方法中，桨距控制是应用最广泛、最有效的方法。其实施的具体过程是优化风力发电机组的控制系统，并通过桨距来判断风速。当风速小于接入风速时，风力涡轮机不进行任何改变，但是当风速在接入风速和额定风速之间变化时，变速器向传感器发送信号以调节变化的功率，反之亦然。总而言之，它是建立内部控制系统，并将额定功率产生的功率调整为固定值。
        4.2功率控制的基本原理
        风力发电功率控制的基本原理并不复杂。主要内容是在一定风速下有效控制风力涡轮机的输出功率。当风速的变化被控制在一定范围内时，通过变速控制，通过建立模型分析函数曲线来确定最优功率曲线，从而获得最大功率值。当风速在限制风速和输出风速之间来回变化时，通过可变桨距调节来改变叶片的位置和桨距角，以保持额定功率恒定。这种功率控制方法的优点在于可以根据风速的大小，采用不用的功率控制方法，最终目的是实现风力发电机输出最大功率的电力，并保证风力发电机的稳定性。
        4.3不同风速区的功率控制策略
        4.3.1高风速区
        当风力涡轮机在MPPT模式下运行时，风速将增加，并且涡轮机的速度也将增加。如果风力涡轮机不受限制，它可能会因功率过大而损坏。因此，当机组在高风速区域运行时，可以采用恒功率控制模式。由于大型风力涡轮机通常采用可变桨距结构，当风速超过额定风速时，桨距控制系统将通过改变桨距角来降低风能利用系数，从而降低单元捕获的风能功率，并保持单元以高于额定风速的恒定功率运行。而对于定桨距的风电机组而言，无法通过改变桨距角来减小风能的利用系数，这使得恒定功率控制变得十分困难，针对这一情况，可以通过恒定转速与恒定功率相结合的控制策略加以解决，具体如下：风速达到额定风速以上时，机转速会上升至额定转速，其直流侧电压也会随之达到额定电压，通过对机组直流侧电压进行限制，便可达到限制机组转速的目的。在高风速区，仅采用恒定转速控制无法实现对机组输出功率的控制，为确保机组运行安全，还需要结合恒定功率控制策略。
        4.3.2低风速区
        当风电机组处于低风速区运行时，对机组功率的控制可采取如下策略：先对风速进行判断，为防止风速快速变化时，采用扰动寻优导致传动链载荷增大，控制性能变差的情况发生，本文提出一种通过对比相邻两次检测到的输出功率变化占当前输出功率的比值对风况进行判断的方法。当比值小于等于稳定标记时，可判定风速处于相对稳定状态，此时可对扰动系数进行改变，来实现扰动寻优。为进一步验证上文中所提出的功率控制策略的正确性及合理性，进行了相关的实验研究。整个实验以10kW离网风电系统为平台，为便于获得所需的各种风况采用了基于PMSM的风力机模拟系统。实验结果表明，该风电机组运行于某一时刻后，由风能的利用系数变化可知，该系数除会在动态过程中跌落外，在各种不同的风速下均能够确保机组跟踪上最大功率，这充分说明了本文所提出的控制策略具有足够的可行性。
        结束语
        丰富的风能使得风力发电技术日益成熟，发电成本逐渐降低。风力发电的水平已经从单级变为多级，并且这个领域已经从陆地扩展到海洋。变速恒频双馈风力发电系统采用网侧变流器的直接功率控制策略来控制发电机的功率，从而实现风能的最大捕获，提高风力发电系统中风能的利用效率，确保系统稳定可靠运行。本文对风力发电技术和频率控制的研究具有一定的意义和价值。
        参考文献:
        [1]王志新，李响，艾芊．海上风电柔性直流输电及变流器技术研究[J]．电力学报，2018，22(4)：413-417．
        [2]郭晓明．电网异常条件下双馈异步风力发电机的直接功率控制[D]．浙江杭州，浙江大学，2017：52-62．
        [3]李晶，王伟胜，宋家弊．变速恒频风力发电机组的建模与仿真[J]．电网技术，2018，27(9)：14-17．