风力发电技术与功率控制方案的具体分析

摘 要

自然界中的风能具有可持续利用的特点，而风力发电是一种能够将风能转换为电能的技术。为确保风力发电机组的运行安全、稳定，需要对机组的功率进行有效控制。基于此点，本文首先简要阐述了风力发电机组的控制目标，并在此基础上对风力发电机组功率控制方案进行论述。期望通过本文的研究能够对风力发电机组的安全、稳定、可靠、高效、经济运行有所帮助。

【关键词】风力发电技术 功率控制 风电机组

1 风力发电机组的控制目标

风力发电机组简称风电机组，它是一个由诸多部件组成的复杂且规模庞大的发电系统。常规的风电机组一般是由以下几个部分构成：风力机、齿轮箱、发电机、电力电子转换器等等，对风电机组的进行有效的控制是确保其安全、稳定、高效、经济运行的关键。可将风电机组的控制目标归纳为以下三点：

1.1 高可靠性

相关研究结果表明，风电机组的机械与电气两大部分均会在一定的范围内运行，所以在对风电机组的控制策略进行设计的过程中，必须充分考虑机械与电气两个部分可能达到的极限状态，避免机组承受过大的负荷或瞬时过载，防止共振，减缓高频荷载，从而确保机组安全、稳定运行。

1.2 高效率

风电机组是将自然界中的风能转换为电能的发电系统，对风能利用效率的高低直接关系到机组的发电效率，因此，对其的控制策略应当以最大限度地捕获风能为前提，使风能可以最大限度地转换为电能。

1.3 低成本

技术的先进性与成本优势是一种机型能够获得大范围普及应用的重要基础，因此，对风电机组的控制策略应当能够使机组的结构达到最优、技术更加完善、成本更低。

上述三个控制目标之间具有较强的关联性和制约性，如果对其中某一个目标过于注重，极有可能导致风电机组的整体性能下降。如过于追求机组运行的高效率，会导致动态载荷增大，不利于机组安全运行，对发电质量也会造成一定程度的影响。为此，在制定风电机组功率控制方案时，应遵循全局优化的原则，找出最佳的平衡点。

2 风力发电机组功率控制方案

对风电机组的功率进行优化控制主要是对机组的输出功率进行控制，具体包括以下三种控制状态，即MPPT（最大功率跟踪）、CS（恒定转速）、CP（恒定功率）。

2.1 风电机组功率优化控制思路

（1）当风电机组在低风速区间内运行时，由风力机的气动特性曲线可知，通过对机组转速的控制使其时刻跟随风速的变化，便可以使机组处于最佳的叶尖速比处，由此能够确保风速发生变化时，机组仍以最大的功率系数运行，最大程度地捕获风能。

（2）当风速增大时，风电机组的转速也会随之增加，达到额定转速之后，为避免机组出现飞车的现象，需要对转速进行限制，可以通过在机组上加装转速环，控制机组以额定转速恒定运行。

（3）通常情况下，风速增大至机组额定转速以上时，机组的输出功率将会超过额定功率，为使机组处于安全运行状态，避免电力电子转换器因过功率损坏，要对机组的功率进行限制。需要特别注意的一点是，因定桨距风电机组的桨距角为不可调，所以当风速超过额定风速时，无法通过桨距角的调节减小风能系数。对于这种情况，可通过增大机组的输出电功率，降低机组转速，使其进入失速区运行，进而达到减小风能利用系数，实现恒定功率运行。

2.2 不同风速区的功率控制策略

2.2.1 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。

2.2.2 高风速区

风电机组在MPPT模式下运行时风速增加，机组转速也会随之升高，若是不对其进行限制，则可能因过功率造成损坏。所以，机组在高风速区运行时，可采取恒定功率的控制方式。由于大型风电机组一般采用的都是变桨距结构，当风速超过额定风速时，桨距控制系统会通过对桨距角的改变，来减小风能利用系数，进而减小机组捕获风能的功率，使机组在额定风速以上保持恒定功率运行。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。

3 结论

总而言之，随着风电技术的不断完善，使得以风能进行发电的成本大幅度降低，各类风电机组随之增多，为确保机组的运行安全、稳定、可靠、高效、经济，应采取有效的控制方案对机组的输出功率进行合理控制。本文重点研究了低风速区和高风速区的机组功率控制策略，以期能够对促进风力发电技术的发展有所帮助。

参考文献

[1]雷亚洲，王伟胜，印永华.一种静态安全约束下确定电力系统风电准入功率极限的优化方法[J].中国电机工程学报，2012（6）：25-28.

[2]陈杰，张先进，龚春英.基于直流电网的非并网风电系统及其控制策略[J].电力系统自动化，2013（10）：86-90.

[3]李辉，韩力，赵斌.风电机组等效模型对机组暂态稳定分析结果的影响[J].电网技术，2013（5）：61-65.

作者单位

内蒙古能源发电投资集团新能源有限公司 内蒙古自治区呼和浩特市 010020