风力发电机科技的论文

摘 要：利用风能来发电是新能源应用的一种主要形式。就风力发电过程中涉及的控制技术进行阐述，分析该技术存在的三个主要问题及发展趋势，提出解决相关问题的关键技术。

关键词：风力发电 机械控制 电路控制

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2013)012-171-02

风能资源的开发利用这项技术，从最早的单机组运行到现在的全国连网并列运行，相应的发电机组的容量也从开始的数十千瓦级发展到海上风电场的兆瓦级;对机组的机械控制方式从定桨距失速控制到变桨距运行，电力电子控制从恒速恒频发展到现在双馈异步等形式的变速恒频。风力发电技术在能源开发利用方面要想有更好的发展前景，和火力水利等传统发电技术相抗衡，关键还是要解决控制问题。而控制问题区别于其它形式发电技术的关键还是风力发电输入风能不稳定，而要求输出电能频率要求稳定的问题。解决问题主要可以从以下三个方面考虑：

(1)风力发电由于风速变化大，输入风能不稳定，风力机转速不好控制，风力发电机的输入部分存在技术开发的空间，即从机械方面考虑改进措施，进行机械控制。

风力发电的机型按照并网时速度是否改变主要分为两种，恒速恒频型机组和变速恒频型机组。不论哪种机型，目前风力发电机的叶轮都采用水平轴、三叶片，上风向布置;额定转速约27r/min。风能通过风力机转换成为动能，风力机通过转轴驱动后面联动的风力发电机。从而实现风能-机械能-电能的转换。

风力机的风轮一般采用三桨叶与轮毂刚性相连的结构，即定桨距风轮。主要是因为三叶片具有平衡和美观等优良性能。为了实现对其很好的控制，一般在桨叶尖部1.5～2.5m处，设计成可调控的叶尖扰流器，叶尖扰流器起气动刹车的作用。当风速过大时，叶尖扰流器释放并旋转形成阻尼板，影响风能在叶片上的受力分布，改变风力机转轴的转速。特别当风力发电机组需要脱网停机时，它可以用作机械制动，效果特别明显。

风力发电机组从定桨距发展到变桨距经历了很长一段时间。早期的定桨距具有以下性能优点：采用软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术，使风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性大大提高。但是，由于叶片的安装角在装配时已经固定，其功率输出是由桨叶自身的性能来调节的，因此，在允许的风速范围内，定桨距风力发电机组的控制系统在运行过程中对由于风速变化引起输出能量的变化是无能为力的。这就大大降低了风能利用效率，使得定桨距风力发电机组的推广得到限制。

针对上述特点，大型风力发电机组，特别是兆瓦级机组(1000kw以上)的风力发电机组在设计，叶片采用变桨距连接，即叶片与轮毂中间采用可转动的推力轴承或专门为变距机构设计的回转支撑联接，变桨距风力发电机的叶片较薄，结构相对简单，重量小很多，使得变桨距风力发电机风轮转动惯量小，设计容易，易于制造大型风力发电机组。这样风力机可根据风速的变化适时调整叶片连接角度，改善叶片周围的流场分布，即使风速不在额定风速的工况下，机组的输出功率也可以保持在额定功率上。特别是在大风情况下，风力机可以使叶片顺桨，保证整个机组风能利用大大提高。

现在，大型风力发电机组一般都采用变桨距的结构形式。这样可以在起动时对转速进行控制，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显著和改善。机组的液压系统作为变距系统执行机构的一部分，在整个闭环控制系统中占有很大作用，大大提高了发电系统的运行自动化程度。

(2)风力机转轴带动风力发电机转轴旋转。风力机在风力的推动下旋转，由于输入风能时刻在改变，不稳定，而且风力机在风能向机械能转换过程中存在转换效率问题，再加上受到设计制造的局限，风力机的转速不能很高，但是传统发电机转速相对要求高，所以连接部分―风力发电机需要进行技术方面的改进。

由于风力发电机组体积庞大，重量达到几吨到几十吨，工作时具有很大的转动惯量;另一方面，受到风力发电机制造技术和叶片材料的约束，风轮的转速不能太高，一般运行在20～30r/min。机组容量越大，转速越低。为了在此基础上发电机得到更多的动能输入，需要设置增速齿轮箱。齿轮布置时采用沿轴线分布的结构特点。但是由于增加了庞大的机械设备，齿轮间存在高速运行易磨损的问题，使风力发电机组发生故障的可能性提高了，现在直驱式风力发电机组(即机组连接部分不用增速齿轮箱)正在慢慢受到设计者的青睐。

风力发电机组中的发电机一般采用异步发电机，异步发电机的转速取决于电网的频率，只能在同步转速附近很小的范围内变化。对于定桨距风力发电机组，一般还采用高滑差异步发电机和变速恒频的双馈异步发电机。这样可以使机组的运行风况范围大大增加即虽然风速远离额定值，但是发电机的效率不会降低，风能利用系数得到提高的同时，发电机组的噪声降低。发出电能的频率也会符合电网要求。

现在，大型风电场一般都采用变速风力发电机组。它的关键技术在于采用了绕线型异步发电机(其转速可以有很大的变化)或同步电机，再在输出电能的电路中增加相应的变频技术。同步发电机的并网一般有两种方式：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;另一种是交-直-交并网。控制技术主要任务是对最佳叶尖速比的测量监控，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。

(3)如果直接用风力机带动发电机转子旋转，即直驱式风力发电机，输出电能频率与电网频率存在衔接问题，即从电力电子方面考虑改进措施，进行电路控制。

风力发电机组发出的电能频率可以不为50HZ，但是经过变频电路处理，使电能质量达到并网要求，稳定可靠得给电网提供电能。

控制技术和监测技术是风力发电系统的关键技术。因为风能不稳定，风速大小和方向随着季节和气候的改变而改变，风力资源丰富的地区通常都是海岛或边远地区甚至海上，风力发电机组一般安装在无人值守区，占地面积较大。所以对输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运行过程中故障的检测和维护必须实行自动化控制。分散布置的风力发电机组通常要求远程监控，自动控制应该实施运行人员设置的控制策略，保证机组安全可靠地运行。

风力发电技术未来的发展趋势将是全实现整个电力系统的自动化，在风电场运行的风力发电机组全部可以实现中央集中控制和远程控制。火力水利等发电系统的控制系统，主要的任务是监视电网、机组运行参数，对机组进行并网与脱网控制，以确保运行过程的安全性与可靠性，而风力发电系统则在此基础上，还要增加一些传感器检测技术，时刻监测风速风向。根据对其变化趋势的分析，做出判断，提高系统的经济性和稳定性。

总之，随着技术的不断改进，基于变桨距技术的各种变速风力发电机组已经在风电市场得到推广。变速风力发电机组的优点在不断显示出来。变速风力发电机组的可以在低于额定风速时，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;在高于额定风速时，增加传动系统的柔性，稳定输出功率，向电网提供安全可靠经济的电能。

参考文献：

[1] 宋海辉.风力发电技术及工程[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[2] 王承熙，张源.风力发电[M].北京：中国电力出版社，2012.

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