风力发电及其控制技术
摘要: 风力发电是将风能转换成电能，风能推动叶轮旋转，叶轮带动转动轴和增速机，增速机带动发电机，发电机通过输电电缆将电能输送地面控制系统和负荷。风力发电技术是一项多学科的，可持续发展的，绿色环保的综合技术。风力发电系统中的控制技术和伺服传动技术是其中的关键技术，这是因为自然风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的切入（电网）和切出（电网）、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运行过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。同时，风力资源丰富的地区通常都是海岛或边远地区甚至海上，分散布置的风力发电机组通常要求能够无人值班运行和远程监控，这就对风力发电机组的控制系统的可靠性提出了很高的要求
一、风电控制系统简述
风电控制系统包括现场风力发电机组控制单元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等部分。现场风力发电机组控制单元是每台风机控制的核心，实现机组的参数监视、自动发电控制和设备保护等功能；每台风力发电机组配有就地HMI人机接口以实现就地操作、调试和维护机组；高速环型冗余光纤以太网是系统的数据高速公路，将机组的实时数据送至上位机界面；上位机操作员站是风电厂的运行监视核心，并具备完善的机组状态监视、参数报警，实时/历史数据的记录显示等功能，操作员在控制室内实现对风场所有机组的运行监视及操作。风力发电机组控制单元（WPCU）是每台风机的控制核心，分散布置在机组的塔筒和机舱内。由于风电机组现场运行环境恶劣，对控制系统的可靠性要求非常高，而风电控制系统是专门针对大型风电场的运行需求而设计，应具有极高的环境适应性和抗电磁干扰等能力。
风电控制系统的现场控制站包括：塔座主控制器机柜、机舱控制站机柜、变桨距系统、变流器系统、现场触摸屏站、以太网交换机、现场总线通讯网络、UPS电源、紧急停机后备系统等。
风力发电的基本原理
风能具有一定的动能，通过风轮机将风能转化为机械能，拖动发电机发电。
风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋
转，再通过增速器将旋转的速度提高来促
使发电机发电的。依据目前的风车技术，
大约3m/s的微风速度便可以开始发电。风
力发电的原理说起来非常简单，最简单的
风力发电机可由叶片和发电机两部分构成
如图1-1所示。空气流动的动能作用在叶
轮上，将动能转换成机械能，从而推动片
叶旋转，如果将叶轮的转轴与发电机的转
轴相连就会带动发电机发出电来。
风力发电的特点
（1）可再生的洁净能源
风力发电是一种可再生的洁净能源，不消耗化石资源也不污染环境，这是火力发电所无法比拟的优点。
（2）建设周期短
一个十兆瓦级的风电场建设期不到一年。
（3）装机规模灵活
可根据资金情况决定一次装机规模，有一台资金就可以安装一台投产一台。
（4）可靠性高
把现代高科技应用于风力发电机组使其发电可靠性大大提高，中、大型风力发电机组可靠性从80年代的50%提高到了98%，高于火力发电且机组寿命可达20年。
（5）造价低
从国外建成的风电场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。我国由于中大型风力发电机组全部从国外引进，造价和电价相对比火力发电高，但随着大中型风力发电机组实现国产化、产业化，在不久的将来风力发电的造价和电价都将低于火力发电。
（6）运行维护简单
现代中大型风力发电机的自动化水平很高，完全可以在无人职守的情况下正常工作，只需定期进行必要的维护，不存在火力发电的大修问题。
（7）实际占地面积小
发电机组与监控、变电等建筑仅占火电厂1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用。
（8）发电方式多样化
风力发电既可并网运行，也可以和其他能源如柴油发电、太阳能发电、水利发电机组形成互补系统，还可以独立运行，因此对于解决边远地区的用电问题提供了现实可行性。
（9）单机容量小
由于风能密度低决定了单台风力发电机组容量不可能很大，与现在的火力发电机组和核电机组无法相比。另外风况是不稳定的，有时无风有时又有破坏性的大风，这都是风力发电必须解决的实际问题。
风力机发电机组分类
水平轴风力机
水平轴风力发电机组按风力机功率调节方式可分为：
?定桨距失速型风力发电机组
?变桨距失速型风力发电机组
?变速恒频型风力发电机组
1）定桨距失速型风力发电机组
定桨距失速型风力发电机组通过风轮叶片失速来控制风力发电机组在大风时的功率输出，通过叶尖扰流器来实现极端情况下的安全停机问题。
2）变桨距失速型风力发电机组
变桨距失速型（主动失速型）风力发电机组在低于额定风速时通过改变桨距角，使其功率输出增加，或保持一定的桨距角运行；在高于额定风速时通过改变叶片桨距角来控制功率输出，稳定在额定功率。
3）变速恒频型风力发电机组
变速恒频型风力发电机组的风轮叶片桨距角可以调节，同时发电机可以变
速，并输出恒频恒压电能。在低于额定风速时，它通过改变风轮转速和叶片桨距角使风力发电机组在最佳尖速比下运行，输出最大的功率；在高于额定风速时通过改变叶片桨距角使风力发电机组功率输出稳定在额定功率。
风资源及风轮机概述
（1）风的起源
风的形成乃是空气流动的结果。风就是水平运动的空气，空气运动主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。大气的流动也像水流一样，是从压力高处往压力低处流，太阳能正是形成大气压差的原因。由于地球自转轴与围绕太阳的公转轴之间存在66．5°的夹角，因此对地球上不同地点太阳照射角度是不同的，而且对同一地点一年中这个角度也是变化的。地球上某处所接受的太阳辐射能与该地点太阳照射角的正弦成正比。
（2）风的参数
风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从东方吹来就称为东风。风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。
风速是指某一高度连续10min 所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m 高处的10min 内风速的平均值为参考。
风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导风向。
（3）风能的基本情况
○1风能的特点
风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等。
○2风能资源的估算
风能的大小实际就是气流流过的动能，因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能，即风功率为 30.5V ωρ= (1-1)式中 ω为风能(w)；ρ为空气密度(kg/m )；v 为风速(m/s)。
由于风速是一个随机性很大的量，必须通过一段时间的观测来了解它的平均状况，一个地方风能潜力的多少要视该地常年平均风能密度的大小。因此需要求出在一段时间内的平均风能密度，这个值可以将风能密度公式对时间积分
后平均来求得。在风速V 的概率分布p(V)知道后，平均风能密度还可根据下式求得30.5()V P V dV ωρ= （1-2）
风轮机的理论
风轮机又称为风车，是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。风轮机的类型很多通常将其分为水平轴风轮机垂直轴风轮机和特殊风轮机三大类。但应用最广的还是前两种类型的风轮机。
风力发电机的结构与组成
风力发电机的分类[5]
风力发电机组是将风能转化为电能的装置，按其容量分可分为：小型（10kw 以下）、中型（10—100kw ）和大型（100kw 以上）风力发电机组。按主轴与地面相对位置又可分为：水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。水平轴风力发电机是目前世界各国风力发电机最为成功的一种形式，主要优点是风轮可以架设到离地面较高的地方，从而减少了由于地面扰动对风轮动态特性的影响。它的主要机械部件都在机舱中，如主轴、齿轮箱、发电机、液压系统及调向装置等。而生产垂直轴风力发电机的国家很少，主要原因是垂直轴风力发电机效率低，需启动设备，同时还有些技术问题尚待解决。在本文中以后不做特殊说明时所指的风力发电机组即为大中型的水平轴风力发电机组。
1.3.2 水平轴风力发电机的结构
大中型风力发电机组是由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱机座回转体制动器等）组成的。
(1)机舱
机舱包含着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机等。
(2)风轮
叶片安装在轮毂上称作风轮，它包括叶片、轮毂、主轴等。风轮是风力发
电机接受风能的部件。
叶片是风力发电机组最关键的部件，现代风力发电机上每个转子叶片的测量长度大约为20米叶片数通常为2枚或3枚，大部分转子叶片用玻璃纤维强化塑料（GRP）制造。叶片可分为变浆距和定浆距两种叶片，其作用都是为了调速，当风力达到风力发电机组设计的额定风速时，在风轮上就要采取措施，以保证风力发电机的输出功率不会超过允许值。
轮毂是连接叶片和主轴的零部件。轮毂一般由铸钢或钢板焊接而成，其中不允许有夹渣、砂眼、裂纹等缺陷，并按桨叶可承受的最大离心力载荷来设计。
主轴也称低速轴，将转子轴心与齿轮箱连接在一起，由于承受的扭矩较大，其转速一般小于50r/min，一般由40Cr或其他高强度合金钢制成。
（3）增速器
增速器就是齿轮箱，是风力发电机组关键部件之一。由于风轮机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下，为实现匹配采用增速齿轮箱。使用齿轮箱可以将风电机转子上的较低转速、较高转矩转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。
（4）联轴器
增速器与发电机之间用联轴器连接，为了减少占地空间，往往联轴器与制动器设计在一起。
（5）制动器
制动器是使风力发电机停止转动的装置，也称刹车。
（6）发电机
发电机是风力发电机组中最关键的部件，是将风能最终转变成电能的设备。发电机的性能好坏直接影响整机效率和可靠性。大型风电机（100-150千瓦）通常产生690伏特的三相交流电。然后电流通过风电机旁的变压器（或在塔内），电压被提高至1-3万伏，这取决于当地电网的标准。风力发电机上常用的发电机有以下几种：
①直流发电机，常用在微、小型风力发电机上。
②永磁发电机，常用在小型风力发电机上。现在我国已经发明了交流电压440/240V的高效永磁交流发电机，可以做成多对极低转速的，特别适合风力发电机。
③同步或异步交流发电机，它的电枢磁场与主磁场不同步旋转，其转速比同步转速略低，当并网时转速应提高。
（7）塔架
塔架是支撑风力发电机的支架。塔架有型钢架结构的，有圆锥型钢管和钢筋混凝土的等三种形式，风电机塔载有机舱及转子。
（8）调速装置
风速是变化的，风轮的转速也会随风速的变化而变化。为了使风轮运转所需要额定转速下的装置称为调速装置，调速装置只在额定风速以上时调速。目前世界各国所采用的调速装置主要有以下几种：
○1可变浆距的调速装置；
○2定浆距叶尖失速控制的调速装置；
○3离心飞球调速装置；
○4空气动力调速装置；
○5扭头、仰头调速装置。
（9）调向（偏航）装置
调向装置就是使风轮正常运转时一直使风轮对准风向的装置。借助电动机转动机舱以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。通常在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。
（10）风力发电机微机控制系统[11]
风力发电机的微机控制属于离散型控制，是将风向标、风速计、风轮转速、发电机电压、频率、电流、发电机温升、增速器温升、机舱振动、塔架振动、电缆过缠绕、电网电压、电流、频率等传感器的信号经A/D转换，输送给单片机再按设计程序给出各种指令实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、运行中机组故障的自动停机、自动电缆解绕、过振动停机、过大风停机等的自动控制。自我故障诊断及微机终端故障输出需维修的故障，由维修人员维修后给微机以指令，微机再执行自动控制程序。风电场的机组群可以实现联网管理、互相通信，出现故障的风机会在微机总站的微机终端和显示器上读出、调出程序和修改程序等，使现代风力发电机真正实现了现场无人职守的自动控制。
（11）电缆扭缆计数器
电缆是用来将电流从风电机运载到塔下的重要装置。但是当风电机偶然沿一个方向偏转太长时间时，电缆将越来越扭曲，导致电缆扭断或出现其他故障。因此风力发电机配备有电缆扭曲计数器，用于提醒操作员应该将电缆解开了。风力发电机还会配备有拉动开关在电缆扭曲太厉害时被激发，断开装置或刹车停机，然后解缆
空气动力学基础
1．动量理论
在本文中，我们将推导出作用在风机叶轮上的功率P和推力T（忽略摩擦阻力）。
由于受到风轮的影响，上游自由风速V0逐渐减小，在风轮平面内速度减小为U1。上游大气压力为P0，随着向叶轮的推进，压力逐渐增加，通过叶轮后，压力降低了ΔP，然后有又逐渐增加到P0（当速度为U1时）。
根据伯努力方程
H=1/2（ρv2）+P (1)
ρ—空气密度 H—总压
根据公式（1），
ρV02/2+P0=ρu2/2+p1
ρu12/2+P0=ρu2/2+p2
P1-p2=ΔP
由上式可得ΔP=ρ（V02- u12）/2 (2)
运用动量方程，可得作用在风轮上的推力为：
T=m(V1-V2)
式中m=ρSV,是单位时间内的质量流量
所以： T＝ρSu（V0-u1）
所以：压力差ΔP＝T/S=ρu（V0-u1）
由（2）和（3）式可得：
u＝1/2[（V0-u1）] (4)
由（4）式可见叶轮平面内的风速u是上游风速和下游风速的平均值，因此，如果我们用下式来表示u。
u=(1-a)*V0 (5)
a 称为轴向诱导因子，则u1可表示为：u1=(1-2a)*V0 (6)
功率P和推力T可分别表示为：T=ΔP*A (7)
P=ΔP*u*A (8)
根据方程（2），（3）和（6）可得：
P=2ρa(1-a) 2 * V03A (9)
T=2ρa(1-a) V02A (10)
通过定义功率和推力系数：
CP=4a(1-a)2 (11)
CT=4a(1-a) (12)
方程（9）和（10）可写成如下形式：
P=0.5ρV03 A CP （13）
T=0.5ρV03 A CT （14）
对方程（11）求极值?Cp/?a=4(3a2-4a+1)=0 (15)
求得a=(2±1)/3=1或1/3
根据公式（6）a<0.5
所以a=1/3时，Cp有极大值
（Cp）max＝16/27≌0.59 (16)
当a=1/3时，Cp值最大。
２.尾涡的旋转中的公式推导是基于以下假设：力矩保持线性，没有旋转个发生。然而，叶轮是通过作用在其上的扭矩Q来吸收风能的，根据牛顿第二定律，尾涡也在旋转，并且其旋转方向和叶轮相反。
U1=2ωrab (17)
ω: 叶轮角速度
ｂ: 切向诱导因子
作用在环素dr上的力矩为：dQ=mutr
=(ρu*2πrdr)utr
=2πr2ρu*utdr (18)
m----- 通过环素的质量流
相应的功率为：dp= *dQ (19)
用a,b和方程（18）可以写出dp=4πr3Ρv0ω2(1-a)bdr (20)
叶轮吸收中的总功率为：P=4π(V0/λ2R2) ρ∫0R(1-a)btr3dr (21)
尖速比 =V0/ωr (22)
如图（２），诱导因子分别给V0和ωr一个诱导速度，并且产生一个相对速度W，因为假设的是无摩擦流动，诱导速度必定垂直于W，a和b并不是独立的，有以下关系：
〔bωr〕/[aV0]=[V0(1-a)]/[ ωr(1+b)] (23)
λ(r)=V0/ωr (24)
由以上两式可得：a(1-a) λ2(r)=b(1+b) (25)
如图（3），对于小的尖速比λ（r）来说，叶片转速相对风速来说较大，这时切向诱导系数b几乎可以忽略，轴向诱导系数几乎达到了0.333，对于大的尖速比λ（r），尾涡的影响较大，最大功率输出时,a减小到0.25。
如图（4），理想的高速风机（无摩擦）其风能利用系数可达到贝兹极限（Cp=0.593），然而低速风力机如多叶片风机由于尾涡的影响其理论Cp值不会超过0.30
《风机的叶轮》
风电场的风力机通常有２片或３片叶片，叶尖速度50～70ｍ／ｓ，具有这样的叶尖速度，3叶片叶轮通常能够提供最佳效率，然而2叶片叶轮仅降低2～3％效率。甚至可以使用单叶片叶轮，它带有平衡的重锤，其效率又降低一些，通常比2叶片叶轮低6％。尽管叶片少了，自然降低了叶片的费用，但这是有代价的。对于外形很均衡的叶片，叶片少的叶轮转速就要快些，这样就会导致叶尖噪声和腐蚀等问题。更多的人认为3叶片从审美的角度更令人满意。3叶片叶轮上的受力更平衡，轮毂可以简单些，然而2叶片、1叶片叶轮的轮毂通常比较复杂，因为叶片扫过风时，速度是变的，为了限制力的波动，轮毂具有翘翘板的特性。翘翘板的轮毂，叶轮链接在轮毂上，允许叶轮在旋转平面内向后或向前倾斜几度。叶片的摆动运动，在每周旋转中会明显的减少由于阵风和剪切在叶片上产生的载荷。叶片是用加强玻璃塑料（GRP）、木头和木板、碳纤维强化塑料（CFRP）、钢和铝构成的。对于小型的风力发电机，如叶轮直径小于５米，选择材料通常关心的是效率而不是重量、硬度和叶片的其它特性。对于大型风机，叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择更为重要。
世界上大多数大型风力机的叶片是由GRP制成的。这些叶片大部分是用手工把聚脂树脂敷层，和通常制造船壳、园艺、游戏设施及世界范围内消费品的方法一样。其过程需要很高的技术水平才能得到理想的结果，并且如果人们对重量不太关心的话，比如对于长度小于２０米的叶片，设计也不很复杂。不过有很多很先进的利用GRP的方法，可以减小重量，增加强度，在此就不赘述了。玻璃纤维要较精确的放置，如果把它放在预浸片材中，使用高性能树脂，如控制环氧树脂比例，并在高温下加工处理。当今，出现了简单的手工铺放聚脂，
通过认真地选择和放置纤维，为GRP叶片提供了降低成本的途径。
传动系统
叶轮叶片产生的机械能有机舱里的传动系统传递给发电机，它包括一个齿轮箱、离合器和一个能使风力机在停止运行时的紧急情况下复位的刹车系统。齿轮箱用于增加叶轮转速，从20~50转/分到1000~1500转/分，后者是驱动大多数发电机所需的转速。齿轮箱可以是一个简单的平行轴齿轮箱，其中输出轴是不同轴的，或者它也可以是较昂贵的一种，允许输入、输出轴共线，使结构更紧凑。传动系统要按输出功率和最大动态扭矩载荷来设计。由于叶轮功率输出有波动，一些设计者试图通过增加机械适应性和缓冲驱动来控制动态载荷，这对大型的风力发电机来说是非常重要的，因其动态载荷很大，而且感应发电机的缓冲余地比小型风力机的小。
《风机的塔架》
最普通的塔架类型是钢制或混凝土制的架式或管状塔架。小型便宜的塔架利用拉线支撑。现代中、大型风力机多采用管状塔架。在较差的气象状况下，可以通过塔架内部到达机舱。塔架必须设计的能够承受风载荷和重力载荷。机舱位于塔架顶部，而且偏航系统使机舱转对风向，塔架要装在坚硬的基础上，使它的公正频率避开叶轮诱发的频率，或使共振频率削弱。
钢性塔架是一种其固有频率高于叶片旋转频率的塔架。对柔性塔架来说正好相反，柔性塔架较轻较便宜，但它可以允许更多的位移并承受更大的应力。因为柔性塔架的固有频率低于叶片的旋转频率，每当风力机升速时，将会激起瞬态共振。尽管这种瞬时共振使机舱产生一些位移，但它的时间很短，不会有什么麻烦。
二、风力发电控制技术的发展历程
定桨距恒速恒频→变桨距变速恒频→功率平稳控制（有功有限调度，无功电压控制，电网故障穿越）→大规模风电输送和分配
控制系统发展历程
风力发电控制系统的基本目标分为3 个层次：保证可靠运行；获取最大能量；提供良好的电力质量。因此，为了达到这一控制目标，风力发电系统的控制技术从定桨距发展到变桨距又发展到近年来采用的变速控制技术。20 世纪80 年代中期开始进进风力发电市场的定浆距风力发电机组，主要解决了风力发电机组的并网题目和运行的安全性与可靠性题目，采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术，这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本题目。20 世纪90 年代后，风力发电机组的可靠性已不是题目，变距风力发电机组开始进进风力发电市场。此种机组起动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的起动性能和功率输出特性都有明显改善。
由于变距风力发电机组在额定风速以下运行时的效果仍不理想，到了20 世纪90 年代中期，基于变距技术的各种变速风力发电机组开始进进风电市场。变
速与定速风力发电机组控制系统的根本区别在于，变速风力发电机组是把风速信号作为控制系统的输进变量来进行转速和功率控制的。变速风力发电机组的主要特点是：低于额定风速时，能跟踪最佳功率曲线，使风力发电机组具有最高的风能转换效率；高于额定风速时，增加了传动系统的柔性，使功率输出更加稳定，特别是解决了高次谐波与功率因素等题目后，达到了高效率、高质量地向电网提供电力的目的。风力发电机组的控制技术从机组的定桨距恒速运行发展到基于变距技术的变速运行，已经基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想地向电网提供电力的终极目标。
总结
控制技术是风力发电的最关键技术之一，是风力发电机组运行的“大脑”，是使整个机组实现正常安全运行及实现最佳运行的可靠保证。控制技术的研究对增强我国大型风力发电机组的自主开发能力，进步风力发电机组的国产化率和降低机组本钱具有重要意义。
由于对风力发电及其控制技术的日益重视，控制技术的研究也取得了较大进展。但相对于国外，我们还存在很大差距，还有一些领域很少涉足。譬如对系统中储能设备的控制只限于简单的监视和自动充电调整，完全没有自动维护功能。蓄电池组的运行和维护水平成为风力发电推广应用的瓶颈。
风力发电机及风力发电控制技术综述姜礼龙 发表时间：2019-06-11T17:39:57.053Z 来源：《电力设备》2019年第1期作者：姜礼龙 [导读] 摘要：风能是目前全球发展最快的可再生绿色能源，风力发电系统是将风能转化为电能的关键系统，它直接关系到风力发电的性能与效率。 （我是国华（科左中旗）风电有限公司内蒙古通辽 028000） 摘要：风能是目前全球发展最快的可再生绿色能源，风力发电系统是将风能转化为电能的关键系统，它直接关系到风力发电的性能与效率。由于风能的能量密度低，具有不稳定性和随机性，控制技术是大型风力发电机组安全高效运行的关键。本文就风力发电的现状及风力发电机工作原理进行分析，着重探讨风力发电控制技术，提升风力发电经济效益。 关键词：风力发电；控制技术 随着我国经济发展有中低端迈向中高端的转型升级发展，更加各种清洁能源在经济社会发展中的作用、环保价值与开发前景。作为清洁可再生能源，风能的应用正在我国逐步推进。但是我国风能研究理论与应用技术落后于欧美国家。 1 风力发电的现状及原理 1.风力发电在能源开发企业中属于重点开发的项目。历经多年的发展，风力发电获得了较好的成绩。现阶段风力发电技术发展的现状较为良好。风力发电技术的单机容量近年一直在增加，能满足更多场合的发电需求。同时，风力发电技术需要投入较高的成本，日常运营过程中风力发电的运营费用却较少。另外，随 着能源公司规模的不断发展与扩大，整个发电行业中风能发电的占有比例也随之增大。从技术发展的层面进行分析我们不难发现，我国现有的市场经济环境中，风电企业从最开始的单存引进阶段到将国外的技术经过革新本土化后应用，最后到自主创新的阶段，当前已经有了基本的技术积累。尤其是兆瓦级机组在国内市场中的普及，更是标志着我国自主研发能力，已经进入了全新的阶段。 2.风力发电机的工作原理。风力发电机是将风能转换为机械能，机械能转换为电能的电力设备。它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电利用的是自然能源。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风力发电机技术，大约是每秒三公尺的微风速度，便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。机械连接与功率传递：水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连，将转矩传递到发电机的传动轴，此联轴节应按具有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。另一种为直驱型风机桨叶不通过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型。 2 风力发电控制技术 1.定桨距失速风力发电技术。定桨距风力发电机迈入风力发电市场是在20世纪80年代中期，其研制成功解决了发电机组的并网问题，运行安全可靠定桨距风力发电机主要是软并网技术、空气动力刹车技术、偏行与自动解缆技术三种技术的结合。定桨距风力发电机组的特点是桨叶与轮毅固定连接，在风速发生变化时，桨叶的迎风角度不发生变化结合桨叶翼型本身的失速特性，在风速高于额定值时，气流的功角就会达到失速状态，可使桨叶的表面的表面产生紊流，使发动机的效率降低来达到限制功率的目的，风力发动机的这一特性控制发电系统安全可靠，但是为了达到限制功率的目的，导致叶片重，结构复杂，机组的整体效率较低，所以说当风速达到某一限度时必须要停比使用。发电机转速是由电网频率限制，输出功率由桨叶本身性能限制，当风速比额定转速高时，桨叶能够通过失速调节功能将功率控制在额定值范围之内，其起到重大作用的是叶片独特的翼型结构，在遇到强风时，流过叶片背风面的气流产生紊流，降低叶片气动效率，影响能量捕获，产生失速失速是一个较为复杂的过程，在风速不稳定时，很难得出失速的效果，因此很少用来控制MW级以上的大型风力发电机。 2.变桨距风力发电技术。从空气动力学角度考虑，当风速过高时，可以通过调整桨叶节距、改变气流对叶片攻角，改变风力发电机组获得的空气动力转知，以保持稳定的输出功率采用变桨距调节方式，风机输出功率曲线平滑，在阵风时，塔筒、叶片、基础受到的冲击较失速调节型风力发电机要小，可减少材料使用率，降低整机重量它能自动调节叶片桨距角度，适应不同风况下功率的调节，特别是使得在接近额定风速附近得功率曲线充实，增加风力发电机的年发电量但其也有一定的缺点，即其需要一套复杂的变桨距机构，变桨距机构的设计要求对阵风的响应速度足够快，以减小由于风的波动引起的功率脉动同时，变桨距执行机构及液压驱动系统较复杂，运行可靠性难以有效保证，其成本也较高。 3.主动失速、混合失速发电技术。主动失速。混合失速发电技术是上述两种技术的组合低风速时采用变桨距调节可提高气动效率，使桨距角向减小的方向转过一个角度，增大相应的攻角，加深叶片的失速效应，从而限制风能的捕获这种方变桨距调节不需要很灵敏的调节速度，执行机构的功率相对较小风力发电机组在超过额定风速（一般为14-16m/s）以后，由于机械强度和发电机、电力电子容量等物理性能的限制，必须降低风力机的能量捕获，使功率输出保持在额定值附近，同时减少叶片承受负荷和整个风力机收到的冲击，从而有效避免风力机受到损害这种调节将引起叶片攻角的变化，从而导致更深层次的失速，使功率输出更加平滑。 4.变速风力发电技术。风力发电机组分恒速恒频风力发电和变速恒频风力发电。变速风力发电技术是改变了风力机的恒速运动规律，可以根据风速的变化调整运行，保持恒频发电，当风速小时争取获得更大的风能，风速过大时调整储存转化能量，比恒速风力发电机组的实用范围更广泛。变速风力发电技术可以根据风速的变化保证恒定的最佳叶尖速比，低风速时尽量获取多的风能，以保证平稳输出；高风速时及时调整风轮转速储存能量，避免功率过大当风速变大风能变强时风轮可以吸收储存部分的风能，提高了传动系统的柔性，减轻了主轴承受的应力及扭知通过电力电子装置的作用，变速风力的风能转化为可以输入电网的电能，使风力机组安全平稳的运行，能量传输机构系统也平稳运行。 3 技术发展趋势展望 为提高风力发电效率，降低成本，改善电能质量，减少噪声，实现稳定可靠运行，风力发电将向大容量、变转速、直驱化、无刷化、智能化以及微风发电等方向发展： 1.风力发电机大型化。这可以减少占地，降低并网成本和单位功率造价，有利于提高风能利用效率。
风力发电机控制原理 本文综述了风力发电机组的电气控制。在介绍风力涡轮机特性的基础上介绍了双馈异步发电系统和永磁同步全馈发电系统，具体介绍了双馈异步发电系统的运行过程，最后简单介绍了风力发电系统的一些辅助控制系统。 关键词：风力涡轮机；双馈异步；永磁同步发电系统 概述： 经过20年的发展风力发电系统已经从基本单一的定桨距失速控制发展到全桨叶变距和变速恒频控制，目前主要的两种控制方式是：双馈异步变桨变速恒频控制方式和低速永磁同步变桨变速恒频控制方式。 在讲述风力发电控制系统之前，我们需要了解风力涡轮机输出功率与风速和转速的关系。 风力涡轮机特性： 1，风能利用系数Cp 风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示： P---风力涡轮实际获得的轴功率 r---空气密度 S---风轮的扫风面积 V---上游风速 根据贝兹（Betz）理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：Cpmax=0.593。 2，叶尖速比l 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。 n---风轮的转速 w---风轮叫角频率 R---风轮半径 V---上游风速 在桨叶倾角b固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn的关系如图1所示。从图1中看，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应得转速越高。如故能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。
涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b有关，关系曲线见图2 。图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。在图2 中，每个倾角对应于一条Cp=f(l)曲线，倾角越大，曲线越靠左下方。每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段（若风速和倾角不变，受扰动后转速增加，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点。）它是工作区段。在工作区段中，倾角越大，l和Cp越小。 3，变速发电的控制 变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确（机组惯量大）。 三段控制要求： 低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率最大功率要求进行变速控制。联接不同风速下涡轮机功率－转速曲线的最大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ（ｎ）关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器的给定量，通过控制电机的输出力矩，使风力发电实际输出功率Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。图３是风速变化时的调速过程示意图。设开始工作与Ａ２点，风速增大至Ｖ２后，由于惯性影响，转速还没来得及变化，工作点从Ａ２移至Ａ１，这时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率，机组加速，沿对应于Ｖ２的曲线向Ａ３移动，最后稳定于Ａ３点，风速减小至Ｖ３时的转速下降过程也类似，将沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３轨迹运动。 中风速段为过渡区段，电机转速已达额定值Ｎ＝Ｎｎ，而功率尚未达到额定值Ｐ＜Ｐｎ。倾角控制器投入工作，风速增加时，控制器限制转速升，而功率则随着风速增加上升，直至Ｐ＝Ｐｎ。 高风速段为功率和转速均被限制区段Ｎ＝Ｎｎ／Ｐ＝Ｐｎ，风速增加时，转速靠倾角控制器限制，功率靠变频器限制（限制ＰＴＡＲＧＥＴ值）。 ４，双馈异步风力发电控制系统 双馈异步风力发电系统的示意见图４，绕线异步电动机的定子直接连接电网，转子经四象限ＩＧＢＴ电压型交－直－交变频器接电网。 转子电压和频率比例于电机转差率，随着转速变化而变化，变频器把转差频率的转差功率变为恒压、恒频（５０ＨＺ）的转差功率，送至电网。由图４可知： Ｐ＝ＰＳ－ＰＲ；ＰＲ＝ＳＰＳ；Ｐ＝（１－Ｓ）ＰＳ Ｐ是送至电网总功率；ＰＳ和ＰＲ分别是定子和转子功率 转速高于同步速时，转差率Ｓ＜０，转差功率流出转子，经变频器送至电网，电网收到的功率为定、转子功率之和，大于定子功率；转速低于同步转速食，Ｓ＞０，转差功率从电网，
浅谈风力发电及其控制技术 发表时间：2020-03-10T13:22:48.110Z 来源：《中国电业》2019年20期作者：黄晓芳[导读] 随着我国电力事业的快速发展，新能源的应用也日益成熟摘要：随着我国电力事业的快速发展，新能源的应用也日益成熟，文章主要以风力发电为基础，对我国风力发电现状进行分析，并探讨控制技术在其中的应用，结合实际情况提出几点建议。 关键词：风力发电；控制技术；风力技术；发电控制引言 近年来，我国风力发电事业迅猛发展，在理论研究和技术应用两方面都取得了较突出的成果。随着风力发电的广泛应用，风能的最大化利用成为当前研究的重要课题。风能的最大化利用关键在于风力发电机组的最大风能捕获以及与风电场内其他风力发电设备的合理配套，从而实现风能资源的优化利用。 1我国风力发电的产能现状我国地大物博,风场资源丰富,利用风能可发电量超过10亿千瓦,这些风力资源地区主要分布在地广人稀的地区,例如西北地区、华北、东北以及东南沿海部分地区。我国20世纪实现了对小型发电机的自主研发和批量生产,缓解和满足了农牧民和岛屿地区人们的用电需求。东部沿海地区风能资源丰富,目前许多重大的风力发电设备就主要建于东部沿海地区,如建于重大的跨海大桥周边,其他主要分布于风能较丰富的丘陵地区。当然,我国风电事业也不是一帆风顺的,前些年由于风电行业的无序发展导致一系列的问题,例如风机事故、弃风限电等问题。之后国家要求各地区相关部门在审核风电项目时,要向国家能源局提交申请,有效地遏制了地方政府无限制的风能资源开发,也解决了风能过剩的问题。近两年,部分经营不好实力较弱的风电企业也退出市场,我国风电行业走向成熟化,并实现稳定发展的业态。 2风力发电控制技术的应用 2.1风轮的控制技术 第一，利用功率信号的反馈进行控制。利用功率信号的反馈进一步控制风轮的功率信号,当风轮运行时,它们的功率与实际条件的改变是一致的,然后再对功率的关系作出分析,之后绘制出最大功率的曲线图,完成以上工作后接着做后面的工作。在实际操作时,还应该对比最大功率与系统中的实际输出功率,获取它们的差值大小,之后再进行风轮桨矩的调整工作,这样才有助于风轮的运行功率最大化。这种方式使成本无须花费过多,但是风机在正常运行时要获得最大功率曲线较为困难。第二，对叶尖速比的控制。受到风力作用的影响,风轮中叶片尖端转动时具有线速度,并且将其称为叶尖速。其中叶尖速比表示为叶尖速与同一时间风速的比值。对叶尖速比进行控制的主要方法是控制叶轮的转速,从而进一步改善风机的运行系统。因为风速是不断变化的,所以很难有效地确定出最合适的叶尖速比,应该适当地改变和调节叶尖速,并调节好风轮转矩,从而更好地调整风轮外边缘的速度,使叶尖速比得到最优控制。 2.2自适应控制技术的应用 自适应控制技术是信息控制技术中的一种,其应用对业务理解要求比较高,将这项技术应用到风力发电机组控制系统中,可以对系统的各项性能情况进行分析并优化控制,确保各项控制参数的合理性及最优化。传统的风力发电机组控制系统需要构建参数模型来对各项参数进行调节,其对模型的完整性要求比较高。但是这类模型在工程实践转化过程中具有较大的难度,所以无法保证风力发电机组的控制效果。而自适应控制技术的合理应用可以对系统中各方面的变化情况进行实时掌握,并根据外界环境进行调整,具有明显的应用优势,提升风力发电机组的控制效率及发电性能。 2.3现代化的控制技术 风力发电中现代化的控制技术可以分为以下几种类型:鲁棒控制技术、变结构控制技术、智能控制技术以及自适应控制技术,风力发电机组控制系统中,以变结构控制技术为主,该技术运用广泛是因为具有很快的反应力、设计较为简单、实现难度不大;处理一些多变量问题时,鲁棒控制技术可以发挥出很好的作用,具有较强稳定性的鲁棒控制技术还能有效地处理好参数不准、建模出现误差或者物质系统受影响的问题;而智能控制技术最突出的方法是模糊控制,它无须过度依赖数学模型,只需凭借专家经验就能克服一些非线性因素带来的影响。目前,一套准确的风力发电机组被控对象数学模型的实现概难度很大,所以对风力发电机组进行控制的过程中,可以多使用模糊控制方法。 2.4风电无功电压自动控制技术 该技术主要是由多个系统共同参与实现风电场无功自动化控制的一种方法,具体包括风电场无功电压自动控制子站及相关的监控系统等。其中子站可作为模块集成到综合监控系统中,也可采用外挂的方法使其独立运行,其负责对风电场内设备的无功电压运行状态进行监视,利用通信线路将调节设备的无功电压控制指令发给相应的监控系统。监控系统的控制方式有两种,一种是远程控制,另一种是就地控制。在远控模式下,子站会自动对无功电压控制目标进行追踪,而在就地控制模式下,子站可按预先给定的并网点电压目标曲线进行控制。子站的运行及控制状态可以通过人工进行设置,同时,风电场内的各类控制设备可通过人工进行闭锁和解锁,设备的投退则可由系统自动控制。当电网处于稳定运行状态的条件下,子站能够对风电机组的无功调节能力进行充分利用,实现调节电压的目标,如果机组的无功调节能力不足,则会由动态无功补偿装置完成无功调节。此外,子站能够对风电机组的无功补偿状态进行协调,从而有效避免了不合理的无功输出。 3风力发电并网控制技术的发展策略 3.1做好谐波抑制措施 风力发电机组并网过程中,要提升其电能质量控制效果,并结合静止无功补偿器来有效抑制谐波危害问题,这种补偿器是用多台可投切电容器、电抗器和谐波滤波装置构成的,这一设备最大的特点是反应速度快,对于无功功率的变化能够实现实时跟踪。针对风速变化导致的电压变化也能够实现有效的调节,实现有效的谐波滤除,提升整体电网的电能供应质量。 3.2优化风能发电的输电结构 目前我国风力资源地区分布不均衡,必须加大对远距离电力传输装备和技术的研发力度。第一,要研发适合我国国情的远距离电力传输装备和技术,逐步解决我国不同地区风电资源分布平衡的问题;第二,要加大投资力度,全世界范围内引进优秀人才,让风力发电技术给风力资源匮乏地区带去便利和经济效益,与此同时,让环境欠发达地区享受风电资源带来的益处。通过发电与用电地区的分配平衡,将风能的利用率持续提升,减少对于化石燃料的依赖,减低污染性气体的排放,坚持走低碳环保路线,促进生态平衡。 3.3电压波动与闪变控制
风力发电及其控制技术研究 风力发电是当前我国经济社会发展中，是具有代表性的一种环保型的发电方式，对于推动社会经济可持续性增长具有不可比拟的积极作用。本文以风力发电为切入点分析其现存问题，就提出具体的控制技术要点进行深入探究，旨在为相关从业人员积累更多的实践经验。 标签：风力发电;控制技术;发展前景 我国风力发电技术水平在不断提高，但是仍旧有许多问题亟待解决，所以要正视目前风力发電技术存在的问题，积极争取社会各方的支持，在原有的基础上不断突破创新，投入一定的资金，不断完善相关政策，从而实现风力发电技术的良性发展，让风力发电技术真正成为我国电力供应的主流技术。 1加强风力发电控制的重要性 由于自然风速度快慢及方向大小存在着明显差异性，客观上要求相关技术人员重视风力发电控制技术，例如：控制机组切入及切出电网、限制输出功率、检测风轮运行期间中各种故障予以保护等。近几年来我国风力发电控制技术日趋成熟，即由定桨距恒速运行技术向变桨距变速运行技术转变，基本达到预期的生产目标。从风力发电机组角度来看，以调节机组功率为核心技术之一，其调节方法可划分为变桨距调节、定桨距失速调节及主动失速度调节。目前我国风力发电机组基本实现变桨距变速运行，结合风速风向的变化情况基本实现脱网、并网及调向控制各个发电机组，充分发挥变距系统作用，控制机组转速及功率。 2当前我国风力发电技术存在的问题 2.1风力资源分布不均 我国的国土面积十分广阔，每个地区的自然环境也有着很大差异，所以不同地区的风力资源分布十分不均匀，这就给风力发电工作带来了一定的困难。目前我国风力发电影视工作呈现出了，东南沿海和西北内陆发达，中部落后的趋势，风力发电事业发展十分不均衡。 2.2产业结构不合理 风力发电技术在我国不断更新发展，单机容量不断扩充，目前已经取得瞩目的进步，但是当前整个行业的产业结构仍然缺乏完善性，在零部件生产和产品创新方面，大多数发电技术都已经取得良好成果，实现了经济效益，但在核心零件生产过程中，仍没有实现自主式创新和开发，电力企业在进行风力发电技术改造时，大部分设备都来源于国外，国内缺乏独立资助的研发团队，这也进一步导致风力产业结构发展失衡，所以，还需要进一步加速产业结构变革，促进产业结构转型，形成完整的、具有发展潜力的风力发电产业结构。
摘要 风力发电正在中国蓬勃发展，即使在金融危机的大形势下，风力发电行业仍然不断的加大投资。在2008年，风力发电仍然保持着30%以上的强劲增长势头，包括Vestas、Gemsa、GE、国内的金风科技、华锐、运达工程等其订单交付已经到2011年后。在风力发电系统中需要解决的基本矛盾是如何在风速变化的情况下，获得较稳定的电压输出。既要考虑到风能的特点，又要考虑到用户的需要，达到实用、可靠、经济的运行效果，关键环节之一就是要有一个稳定、可靠、功能齐全的控制系统。 本文介绍了世界风力发电控制系统的发展历程和我国的研究现状以及对风力发电系统控制技术的前景分析。分析并得出风力发电系统中，控制系统是确保机组安全可靠运行、优化机组效率的关键。关键词：风力发电、控制系统技术、发展历程。
目录 第一章风力发电技术的前景 (1) 第二章风力发电系统控制技术的介绍 (3) 一风电控制系统简述 (4) 二风力发电控制技术的发展历程 (4) 三控制目的 (5) 结束语 (6) 参考文献 (7)
风力发电系统控制技术发展历程 第一章风力发电技术的前景 人类对于风能的开发利用也很早就开始了。但是，近代火力、水力发电机的广泛应用和20世纪50年代中东油田的发展，使风力发电机的发展缓慢下来。在我国风力发电机组的研制工作开展较早，但是没得到足够的重视与支持，因而发展较慢。五十年代后期有过一个兴旺时期，吉林、辽宁、内蒙古、江苏、安徽和云南等省都研制过千瓦级以下的风车，但是没有做好巩固和发展成果的工作。七十年代后，随着国民经济的较快发展出现了能源供应紧张、环境污染严重等现象，另外由于科技意识日渐深入人心，可再生无污染的风能利用受到了足够的重视。在浙江、黑龙江、福建研制出了较大功率的机组；内蒙古的有关单位研制的小型风力发电机已有批量生产，用于解决地处偏远、居住分散的农牧民住户、蒙古包的生活用电和少量生产用电。八十年代以来，风力发电在我国得到了相应的发展。目前微型（<1KW）、小型（1-10 KW）风力发电机的技术日渐成熟，已经达到商品化程度。同时大型风力发电机组（600 KW）也研制成功，并已投入了运行。此外，从国外引进了大型风力发电机组建设了20余个风电场。总装机容量达到了近25MW。从统计资料来看，在我国风能利用与风力发电技术虽然有了一定的进展，与国外先进国家相比较仍然存在差距，尤其是在大型风力发电机组的开发与研制方面。 从统计资料来看，在我国风能利用与风力发电技术虽然有了一定
风力发电机及风力发电控制技术研究 摘要：基于对风力发电机及风力发电控制技术的研究，首先，阐述风力发电机 基本内容。然后，分析风力发电控制技术具有减少环境污染、减少能源消耗等重 要作用。最后，对风力发电控制技术进行分析，包括传统控制技术、智能控制技 术等。 关键词：风力；发电机；风力发电控制技术 社会的快速发展带来的是，环境污染、能源消耗、资源浪费等一系列问题。此类 问题的出现，对人们生活质量与生活水平的提升会产生很大影响。实现人类与环 境的和谐发展与共同进步，我国针对环境污问题、能源资源浪费问题，出台各种 政策条例，将发展清洁能源作为重点与关键。因此，风能以及风力发电受到更多 人的重视与关注，无论是风力发电机，还是风力发电控制技术，都得到进步与完善。所以，本文将针对风力发电机及风力发电控制技术相应内容进行阐述。 1、风力发电机基本概述 风力发电在缓解能源危机中发挥着不可替代的作用，因为风力发电具备可再生、 清洁等优势，在全世界范围内得到重视与关注（如图一）。传统风力发电机的类 型有很多，比如，有刷双馈异步发电机、垄型异步发电机等。垄型异步发电机在 实际工作过程中，要对电容器进行合理应用，使用电容器的主要原因就是无功补偿。垄型异步发电机同步转速，相较附近的恒速转速要高，在垄型异步发电机运 行期间，可以使定桨距失速方式。有刷双馈异步发电机在应用过程中，促使功率 变化器的功率降低。同步发电机其转速相对较低、轴向尺寸较小，因此，可以将 其应用在启动力矩较大的电机并网中，这样可以将同步发电机的作用与价值发挥 出来。在如今社会快速发展背景下，使得风力发电机也得到一定完善与创新，比如，目前使用较为广泛的永磁无刷同步发电机、永磁同步发电机以及无刷双馈异 步发电机等。在这其中无刷双馈异步发电机的自身优势较为明显，比如，结构较 为简单、有着较强裹在能力，有着较高的运行效率，运行的可靠性与安全性能够 得到保障。将传统标准型的双馈电机运行中存在的问题在最大程度上弥补，具有 垄型异步发电机优点。不同风力发电机都有着自身优势与特点，因此，对于不同 风力发电机都要有正确认识，这样才能达到良好风力发电效果。 2、风力发电控制技术的重要作用 风力发电控制技术应用的重要作用主要体现在以下几点中：（1）在风力发电中，通过对风力发电控制技术的科学合理应用，使得风力发电控制技术的应用范围与 推广范围得到拓展。在一定程度上，缓解我国能源紧张与能源压力问题，减少对 资源的消耗。提升工作质量与工作效率，促使风力发电能够在我国得到更好发展，同时推动风力发电能够朝着智能化与现代胡方向进步。（2）特别是在大型风力 发电控制工作中，将风力发电控制技术优势发挥出来[1]。可以减少对土地资源的 占用，系统运行功率也将会得到提高。变桨距以及变速恒频技术的优化与完善， 将规模局限性问题更好解决。特别是在对直驱技术的应用中，可以节约更多风力 发电费用成本，提升资源利用率。通过该种方式，可以创造更多经济效益、社会 效益以及生态效益，防止对周围环境造成破坏。 3、风力发电控制技术分析 3.1传统控制技术
风力发电机组控制技术研究李斌 发表时间：2019-09-19T08:52:32.897Z 来源：《电力设备》2019年第8期作者：李斌 [导读] 摘要：如今，人们解决能源和环境问题迫在眉睫，有些资源有限，还会产生许多污染。 （国华(乾安)风电有限公司吉林省 131400） 摘要：如今，人们解决能源和环境问题迫在眉睫，有些资源有限，还会产生许多污染。所以，世界各地都在关注可再生能源，而风电有许多优点，所以，利用可再生能源已成为各国的重点发展方向。我国的风能资源并不匮乏，所以开发潜力很大。我国的风力发电产业和控制技术的发展很快，因而，通过分析现阶段我国风力发电的情况和控制技术水平的发展情况，为实现可持续发展战略提供一些有价值的信息。 关键词：风力；发电机组；控制技术 1问题分析 1.1风能能源的评估有待完善 对于风能资源进行评估并以此制定风力发电的规划是我国风力发电进行管理的基础。目前我国的相关机构在开展的风力能源评估还处于有点完善的状态，距离世界上的发达国家还存在明显的差距，因此，开展对于风力发电的相关资料整理以及重新进行调查评估是非常有必要的，相关部门应该更加严格的对我国沿海地区和内陆地区的风力分别进行检测和评估，同时还需要不断对我国现有的风力发电场所产能进行更科学合理的长远规划。 1.2自主创新需要提升 在目前我国对于风力发电产业生态圈建设尚未完成的过程中，我国的企业对于大型兆瓦发电机的信息技术吸收还没有充分进行。与此同时，我国对于风力发电机组中的核心设备和相关零件还无法进行自主生产，这是制约我国风力发电发展的关键问题。因此更快地进行我国风力发电设备制作的自主创新，同时加强完整知识产权的风力发电机组设备的研究，都是保障我国风力发电事业发展的重要目标。 1.3国家电力网络与风力发电的发展不协调 目前我国电力网络设施的管理和运用并没有与风力发电产生足够的协调性。在风力发电场所接入电网的工作并没有很好地得到完成，整个国家电网的发展规划也缺乏对于风力发电场所的重视。就这个问题，还需要我国的政府相关部门更好地制定相应的管理办法，从而保证风力发电场所与国家电网之间可以共同协调发展，更好地为风力发电的发展提供保障。 1.4电价制定需要重新规划 在目前的供电市场中，风力发电项目经常面临亏损的危机。造成这种情况的主要原因在于我国的电价制定，只有政府进行充分的规范和引导，同时为风力发电提供一些优惠的政策。目前风力发电的电价过低，使得投资方在工程中的经济效益明显降低，这也是我国风力发电发展缓慢的重要原因。 2我国风力发电的现况 我国风力发电的发展在技术方面上分为三步，一是引进新技术，二是把技术消化吸收三是进行自主创新。现如今，在这方面我国以快速发展起来。例如，我国的风力制造业不断提升。还有随着国内5WM 容量等级风电产品的不断改进，我国的兆瓦级机组在风力发电市场被大量使用。虽然我国的风力发电机组制造业和配置零组件的发展足以满足所需，但是一些高级配置仍然需要从国外进口。所以，培养自主创新能力和不断探索新技术迫在眉睫。 目前，是创新的年代，是需要快速发展的时代，新能源就是一个活生生的例子。作为新能源的一个重要部分，风力发电近年来的发展越来越好。全球的能源越来越少，之前的能源已经不足人们也已经意识到了这个问题，风力发电无污染，施工时间比较短，投资也不多，而且需要的地区也不多，这就使得各个国家对其越来越关注。在风力发电系统中，并网逆电器是一个非常重要的装置，其特性的好坏决定了发电是否灵活。随着信息技术的发展，人们也将风力发电系统做出了很多改变，使其性能得到了很大改进，促进了其进一步发展。 3双馈变速恒频型风力发电机组 该种类型的发电机组可以实现对叶片桨距角的全面调节，还可以利用具备变速功能的双馈性发电机，实现恒频恒压状态下的电能输出。如果整个风速比额定风速还要低，则该种类型的发电机组便可以通过叶片桨距角以及转速变化，将发电机组的整个运行状态改善，确保输出始终保持在最大状态。如果风速超过了额定速率，人们可以通过叶片桨距角的改变，将发电机组的功率控制在额定功率范围之内，这样一来，整个风力发电机组将会得到有效控制。 4风力发电机组控制技术的分析 4.1最优控制 在风力发电过程中，其发电机组的基本组成均处于非线性、干扰较大等特点，而且由于环境的不确定性，风速变量也会呈现出一定的不规则特点，从而无法利用精确的数学控制来实现机组控制，但人们可以利用最优的系统性控制实现风力发电机组的最优控制。在该项控制技术实施过程中，可以通过线性化模型设计来实现，并通过周围工作点的精确把握，提升控制工作的控制效果。而且在该种控制技术实施过程中，可以根据具体的线性化模型设计，对周围的工作点进行快速寻找，与此同时，还能通过大范围的反馈内容，对偶线性化实现精确性破解，以此来实现风力和风能的全面性捕捉。另外，针对于电功率波动较小、无功功率输出要求等矛盾，聚能在最优系统的作用下，将上述问题解决，避免由于线路故障而出现较大的电压波动。与此同时，在最优系统的应用过程中，工作人员还能将风能变化情况以及自动控制进行合理掌握，避免在后续工作之中出现新的问题。 4.2模糊控制技术 模糊控制技术以模糊推理及语言规则作为基础，能够避免受到非线性因素的影响。在风力发电机组中使用模糊控制技术，能够显著的提升风能的使用率，同时，还能够跟踪最大功率。对于风力发电机组来说，模糊控制技术的使用推动了其向着智能化控制的方向发展，优化了风力发电机组的控制效果。例如，在变桨距并网型风力发电机组中，通过模糊控制技术的使用，能有对风力机转速进行控制，并对抖振现象进行了降低，提升了风力发电机组的运行效率。 4.3滑模变结构控制技术 风力发电机组是一种非线性的系统，在实际的运行过程中，有着复杂且多变的特性。当在实际运行的过程中，发生了风向变化、风力
风力发电及其控制技术 摘要: 风力发电是将风能转换成电能，风能推动叶轮旋转，叶轮带动转动轴和增速机，增速机带动发电机，发电机通过输电电缆将电能输送地面控制系统和负荷。风力发电技术是一项多学科的，可持续发展的，绿色环保的综合技术。风力发电系统中的控制技术和伺服传动技术是其中的关键技术，这是因为自然风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的切入（电网）和切出（电网）、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运行过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。同时，风力资源丰富的地区通常都是海岛或边远地区甚至海上，分散布置的风力发电机组通常要求能够无人值班运行和远程监控，这就对风力发电机组的控制系统的可靠性提出了很高的要求 一、风电控制系统简述 风电控制系统包括现场风力发电机组控制单元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等部分。现场风力发电机组控制单元是每台风机控制的核心，实现机组的参数监视、自动发电控制和设备保护等功能；每台风力发电机组配有就地HMI人机接口以实现就地操作、调试和维护机组；高速环型冗余光纤以太网是系统的数据高速公路，将机组的实时数据送至上位机界面；上位机操作员站是风电厂的运行监视核心，并具备完善的机组状态监视、参数报警，实时/历史数据的记录显示等功能，操作员在控制室内实现对风场所有机组的运行监视及操作。风力发电机组控制单元（WPCU）是每台风机的控制核心，分散布置在机组的塔筒和机舱内。由于风电机组现场运行环境恶劣，对控制系统的可靠性要求非常高，而风电控制系统是专门针对大型风电场的运行需求而设计，应具有极高的环境适应性和抗电磁干扰等能力。 风电控制系统的现场控制站包括：塔座主控制器机柜、机舱控制站机柜、变桨距系统、变流器系统、现场触摸屏站、以太网交换机、现场总线通讯网络、UPS电源、紧急停机后备系统等。 风力发电的基本原理 风能具有一定的动能，通过风轮机将风能转化为机械能，拖动发电机发电。 风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋 转，再通过增速器将旋转的速度提高来促 使发电机发电的。依据目前的风车技术， 大约3m/s的微风速度便可以开始发电。风 力发电的原理说起来非常简单，最简单的 风力发电机可由叶片和发电机两部分构成 如图1-1所示。空气流动的动能作用在叶 轮上，将动能转换成机械能，从而推动片 叶旋转，如果将叶轮的转轴与发电机的转
风力发电机及风力发电控制技术综述刘涛 发表时间：2018-05-14T10:53:29.810Z 来源：《电力设备》2017年第36期作者：刘涛 [导读] 摘要：随着现代社会经济的迅猛发展，世界能源发展也在逐步的改变，目前面临着资源紧张、环境污染、气候变化的三大难题。 （国华（通辽）风电有限公司内蒙古通辽 028000） 摘要：随着现代社会经济的迅猛发展，世界能源发展也在逐步的改变，目前面临着资源紧张、环境污染、气候变化的三大难题。在我国风能发电可再生资源中作为广泛的运用，如太阳能、生物质能、地热能、海洋能等，在自然界都可循环再生资源，这些都是与人类紧密相连的能源。这些取之不尽，用之不竭的能源可谓是一项朝阳产业，本文主要对现在风力发电技术和风力发电机原理进一步分析入手，并对我国风能发电机的特点进一步的探讨与研究。 关键词：风力发电机；可再生能源；控制技术；探讨研究 前言 随着风力发电技术水平的提高，风力发电由早期的直流发电机、笼型异步发电机等演变为当前的低速直驱永磁同步发电，风能是一种可再生、永不枯竭、无污染且储量巨大的绿色可再生能源。相对而言风能的利用比较简单，不同于其他能源的利用那么复杂，因此，风力发电机整体的技术进步使变速恒频风力发电也得以实现，根据当地的实际情况合理利用风力发电，具有重要的现实意义。所以我们应该不断加强风力发电技术的探索和实践，为我国的经济发展提供能源保障。 1 风力发电机及风力发电控制技术发展现状 风力发电系统主要由风轮、齿轮箱、发电机、功率变换器、变压器等部分构成，因此风力发电机是风电系统中实现风能转换为电能的核心部件。对于不同类型的风力发电机，控制单元会有所不同，但主要是因为发电机的结构或类型不同而使得控制方法不同的方案。根据目前风力发电技术不断地提高，更有利于的促进了风力发电整体技术的进步，也成为当前风力发电系统的主流。 2 发展技术前景 2.1 目前，风力发电机组中的发电机一般采用高滑差异步发电机和变速恒频的双馈异步发电机，目前全国各地正朝着怎样增大单机容量，减轻每单位容量的自重大型风力发电机组，来提高转换效率的方向发展，这样就可以使机组的运行风况范围大大增加，但同样的发电机的效率是不会降低的。因此，各国研究人员为了提高风力发电机组的效率和可靠性、降低大型发电机的制造难度等各个角度出发，提出有效的地商业化潜力的风力发电机，并且发出电能的频率也符合电网要求，使发电机组的噪声降低，达到一定的可靠性。 2.2 同步发电机的并网一般有两种方式，一种是交并网，控制技术主要交任务是对最佳叶尖速比的测量监控，另一种是准同期直接并网，这种方法在大型风力发电中极少采用，控制技术主要交任务是对最佳叶尖速比的测量监控。如果以异步发电机为主流的发电机，其结构简单、坚固耐用、价格便宜等优点，被作为电动机广泛使用。但也有自身的缺点，由于运行范围窄、功率因数较低等，发展空间也有限。如今，大型风力发电厂一般都采用变速风力发电机组，关键技术则是利用了绕线型异步发电机或同步电机，使得机组在允许风速的任何情况下都可以获得理想的功率输出。 2.3 根据以上分析，部分国外学者也提出了永磁异步电机的概念，不仅具备了效率高、功率密度高、功率因素高等优点，而且在实际运行中也提高了功率因数和发电效率，大大的降低了维护成本。至今，永磁异步电机具备广阔的发展前景；在实际应用中越来越受到关注，并得到广泛的运用。 2.4 风能是一种可再生、永不枯竭、无污染且储量巨大的绿色可再生能源。目前风力发电已经成为世界各地的发展重点能源之一，近年来，风力发电系统的不断增加，风力发电机与发电系统共同发展，相互促进，使各种新型化的风力发电机和控制系统不断的流向社会，总之，风力发电机的制造也会成为新兴的制造产业，更快的促进风力发电机控制技术的发展前景。 3 风力发电掌控技术 3.1 定桨距失速风力发电技术 对于变桨距叶片运行的方式：它主要是改变叶片剖面攻角，依据对桨距角的改变。如何适应风速的变化，是在其低风速运行的状态下最大限度的发挥风能的利用价值，发电机转速是由电网频率限制，输出功率由桨叶本身性能限制，当风速比额定转速高时，桨叶能够通过失速调节功能将功率控制在额定值范围之内，提高气动输出的性能，使发动机的效率降低来达到限制功率的目的，风力发动机的这一特性控制发电系统安全可靠。发电机转速是由电网频率限制，输出功率由桨叶本身性能限制，要降低叶片的气动性能，可以对攻角进行改变，降低叶片在高风速运行下的功率，从而达到在低功率下进行调速的目的。 3.2 变桨距风力发电技术 在并网过程中，变桨距控制还可实现快速无冲击并网，一方面保证获取较大的能量，另一方面减少风力对风力机的冲击，在并网过程中，快速无冲击并网还可使用变浆距控制，变桨距控制系统与变速恒频技术相配合，最终会提高整个风力发电机系统的发电效率和电能质量。如果要增加风力发电机的年发电量也会存在一定的缺点，不仅需要具备一套相对复杂的变浆距机构，并且在变浆距结构的设计上也会有一定的要求，要对阵风的响应速度足够快，变桨距执行机构及液压驱动系统较复杂，运行可靠性难以有效保证，如果以减小由于风的波动引起的功率脉动同时，其成本也会随之翻倍。所以以上所述，在使用电动变桨距系统就是可以允许三个桨叶独立实现变桨，它提供给风力发电机组功率输出和足够的刹车制动能力，这样还可以避免对过载风机的破坏。 3.3 混合失速/主动失速发电技术 风力发电在并网的过程中也是一个操作起来极其复杂的非线性工作，并且风力发电机组存在着随机扰动大、不确定因素过多，还有难以准确的描述并网特性的各个特点。所以根据反馈量的多少，在规定的并网时间内，可使导通角逐步增加，电机的定子电压逐步提高，使之达到软并网、限制电流的目的。在并网过程结束机组进入正常工作状态，上述两种技术的组合也就是所谓的混合失速/主动失速发电技术。 4 风力变速发电技术 4.1 风能本就是绿色、环保、无污染的可再生资源，由于其本身稳定性较差，无法正常控制风速等特性。所以在利用风能发电时，根据风向的变化性和风机叶不断的变化，一定要合理利用并掌控好操作技术，否则会影响风能发电的工作效率，影响用电质量。做好调整工作，考虑发电机在运行时会出现的各种变化，完全可以保证风能发电的最大化利用。另外，在我国目前的风能发电机控制系统中，最常采
风力发电系统的控制原理 风力涡轮机特性： 1，风能利用系数Cp 风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示： P---风力涡轮实际获得的轴功率 r---空气密度 S---风轮的扫风面积 V---上游风速 根据贝兹（Betz）理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：Cpmax=0.593。 2，叶尖速比l 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。 n---风轮的转速 w---风轮叫角频率 R---风轮半径 V---上游风速 在桨叶倾角b固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn的关系如图1所示。从图1中看，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应得转速越高。如故能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。 涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b有关，关系曲线见图2 。图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。在图2 中，每个倾角对应于一条Cp=f(l)曲线，倾角越大，曲线越靠左下方。每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段（若风速和倾角不变，受扰动后转速增加，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点。）它是工作区段。在工作区段中，倾角越大，l和Cp越小。 3，变速发电的控制 变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确（机组惯量大）。 三段控制要求： 低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率最大功率要求进行变速控制。联接不同风速下涡轮机功率－转速曲线的最大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ（ｎ）关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器的给定量，通过控制电机的输出力矩，使风力发电实际输出功率Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。图３是风速变化时的调速过程示意图。设开始工作与Ａ２点，风速增大至Ｖ２后，由于惯性影响，转速还没来得及变化，工作点从Ａ２移至Ａ１，这时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率，机组加速，沿对应于Ｖ２的曲线向Ａ３移动，最后稳定于Ａ３点，风速减小至Ｖ３时的转速下降过程也类似，将沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３轨迹运动。 中风速段为过渡区段，电机转速已达额定值Ｎ＝Ｎｎ，而功率尚未达到额定值Ｐ＜Ｐｎ。倾角控制器投入工作，风速增加时，控制器限制转速升，而功率则随着风速增加上升，直至Ｐ＝Ｐｎ。 高风速段为功率和转速均被限制区段Ｎ＝Ｎｎ／Ｐ＝Ｐｎ，风速增加时，转速靠倾角控制器限制，功率靠变频器限制（限制ＰＴＡＲＧＥＴ值）。 ４，双馈异步风力发电控制系统
第一章绪论 能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去200多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系，极大地推动了人类社会的发展。然而，人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也越来越感悟到大规模使用化石燃料所带来的严重后果；资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发了不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争。因此，人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。 风能是太阳能的一种转化形式，是一种不产生任何污染物排放的可再生的自然资源。 风能的开发利用已有数千年历史。在蒸气机发明以前，风能就曾作为重要的动力，由于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。在几千年前，埃及的风帆船就在尼罗河上航行。中国是最早使用帆船和风车的国家之一，至少在三千年前的商代就出现了帆船。 受化石能源资源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都重视风能的开发利用。特别是自20世纪90年代初以来，风力发电的发展十分迅速，世界风电机装机容量的年平均增长率超过了30％，从1993年的216万kW上升到20XX年的4030万kW。 我国对现代风力机的研制可以追溯到20世纪50年代，但系统的研究始于20世纪70年代。20世纪80年代中期开始，我国从国外引进了一些大、中型风力发电机组并入电网。1986年山东荣成市建成中国第一个风电场，年均发电量为33万kwh，以后相继在福建平潭、广东南澳岛、新疆达坂城及内蒙古朱日和等地建立了风电场。 进入20世纪90年代以来，我国风电发展势头强劲，成为我国发展速度最快的能源工业，但是，我国安装的大型风力发电机组中90%是从国外进口。我国对现代并网型风力发电机的研究工作始于20世纪80年代，我国自行研制出的有20kw,30kw,75kw,120kw,200kw,600kw和1MW风力发电机组。 目前世界上有几十种型号的大型风力发电机组在商业化运行，大体可分为四种类型。第一种为双绕组定桨距恒速机型，以Bounsl,BOUNS2,Nordex60和Nordex63为代表。第二种为变滑差变速机型，主要代表VestasV63,VstasV66,VstasV80.第三种是采用双馈发电机转差励磁方案，实现变速变距运行的机型，主要代表机型有DeWind公司的