基于新能源发电风力发电技术的探讨

高敏

摘 要：目前，环境和能源是世界各国所迫切需要解决的问题，开发清洁型的能源、实行可持续发展战略是世界各国解决能源问题及优化能源结构的正确选择。风能是一种普遍的清洁型能源，储量巨大，世界各国对此都比较重视。经过多年的努力，世界风力发电技术越来越成熟，风力发电机组装机容量越来越大，从定桨距控制到变桨距控制，从恒速恒频到变速恒频，从陆地到海上，风力发电正以前所未有的速度发展，因此对风力发电技术的研究越为显得必要。

关键词：新能源；发电；特性

中图分类号：TM61 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）30-0137-02

Abstract： At present， environment and energy are the urgent problems to be solved all over the world. Developing clean energy and carrying out sustainable development strategy are the correct choices to solve the energy problem and optimize the energy structure of all countries in the world. Wind energy is a kind of universal clean energy with huge reserves， which has been paid more attention all over the world. After years of efforts， wind power generation technology in the world has become more and more mature， and the installed capacity of wind turbines has become larger and larger， ranging from fixed pitch control to variable pitch control， from constant speed constant frequency to variable speed constant frequency and from land to sea， wind power generation is developing at an unprecedented speed， so the research of wind power generation technology is more and more necessary.

Keywords： new energy； power generation； characteristics

引言

当今世界，能源对促进整个社会的发展有着不可替代的作用，但是随着常规化学能源如煤、石油、天然气会惭惭的耗竭，迫切需要一种可再生的新型能源来代替。因此，对可再生能源的开发利用受到世界各国的高度重视。目前，风能相对技术发展比较开阔，比较成熟，如何大力发展新型的再生风能能源，是大多学者研究的一大课题。

风力发电是将风能转换为机械能并将机械能转换为电能的过程。风力涡轮机及其控制系统将风能转换为机械能发电机及其控制系统，并将机械能转换为电能。作为风力发电系统的重要组成部分，风力涡轮机直接影响整个风力发电系统的性能和效率。风力发电机变桨距功率控制技术和发电机变速恒频发电技术是风力发电的两项先进技术和未来风力发电技术的发展趋势。

1 风力机的功率调节技术

风力机的功率调节是风力发电系统的关键控制技术之一。在超过额定风速后，由于部件的机械强度、发电机的容量和電力电子设备的容量等性能的限制，必须减少风力机的风能捕获，使其功率保持在额定值附近，使整个风力机不受到损害。目前运行中的风力机对功率的调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节三种方式。

1.1 定桨距失速控制

通过固定螺距风机叶片与轮毂固定连接，结构简单，性能可靠，但叶片顶角不能根据风速变化进行调整。这种风力涡轮机完全依赖于叶片的空气动力学，使得风力涡轮机的输出功率随风速而变化。难以确保在标称风速下的风能利用率高，特别是在低标称风速下。

1.2 变桨距调节

为了尽可能提高风能转换效率，并保证风力机输出功率平稳，需增加桨距角控制系统，这样就构成变桨距风力机。变桨距风力机的功率调节依靠叶片固有的气动特性，通过对叶片桨距角的调节来实现。

1.3 主动失速调节

主动失速调节是采用叶片主动失速以保证功率调节的简单可靠的。风速低于额定风速时，控制系统根据风速分几级控制，控制精度低于变桨距控制；当风速超过额定风速后，变桨系统通过增加叶片攻角，使叶片“失速”，限制风轮吸收功率增加。这一点与定桨风机的失速调节类似，称为“主动失速”。

2 风力机的特性和模型

风力机的特性是研究空气流作用给风力机的气动力的特性。风力机的气动模型的研究方法有激盘理论和叶素理论等。激盘理论是通过简单的理论来解释风能的提取过程，同时也可以通过它来推导风能转换效率的理论最大值。叶素理论主要研究叶片基元上的空气流产生的气动力。

激盘模型：

激盘模型的根基是动量定理。风力机可以看作是一种激盘，主要作用是提取风能。因为激盘在空气流中时，可以把激盘看成是不可压缩的（见图1）。由图1可以看出，当空气流流过时，通过激盘可获得一部分风能，使得上游风速V大于下游风速V-∞。因此，截面积AD比截面积A∞大，又比截面积A-∞小。

这是因为根据定义管道内各处的质量流量必须相同。

从上图我们可以看出，通过激盘的气流速度会降低，速度变为V-V-∞。通过这样的方法使得入射到激盘的气流而产生的气动力FD，为整个质量流量速度下降的倍数。其计算公式为：

通常，流入激盘的气流速度为：

式中，a定义为轴向的气流的干扰系数。气动力FD由激盘而引入的压降，即：

另外，伯努利方程用来获取穿过激盘的气压降。伯努利方程表明，在稳定的状态下，假设没有流体动力，那么气流总能量是保持不变的。这个方程适用于上游与下游，因为上游与下游只对激盘做功而没有对流体做功。

式中，g为重力；p0为大气压力，同时，可以认为气流是水平流动。通过这两个方程可以得到：

将上式带入上中得到：

V-∞=（1-2a）V

上式表明动量定理适用的上限为a=5。这样我们可从公式中看出，当a值越大，V-∞变为负值，但这显然是不可能的。一半的速度降出现在激盘的上游，而另一半的速度降出现在下游。

利用上式可得气流流过激盘所产生的气动力为：

接下來，激盘从风中提取的风能为：

通常将风能的利用系数来做为判断风力机的捕获风能的能力，将风能的利用系数可以定义为风力机的捕获的风能与经过风力机的风能之比，即：

而风能公式为：

进一步可以得到风能利用系数为：

3 笼型感应发电机原理

笼型感应风力发电机组系统是由风轮机、齿轮箱、感应发电机和PWM变流器、变压器等组成。因为风速具有随机性而且是变化是没有规律的，为了能够实现最大风能的捕获，当风力机运行在额定风速以下启动风速以上时，需要通过对发电机转矩的调整，达到最大风能的捕获。对于发电机转矩的控制有：直接转矩控制、转速控制和基于功率的转矩控制三种。从笼型感应式风力发电机的基本原理图中，我们知道可以将整个系统的控制分为机侧变换器控制和网侧变换器控制两个部分。对于机侧变换器需要控制发电机的转速，对于网侧变换器需要控制直流侧的电压，让其保持恒定，同时还需要控制功率因素和有功功率的传输，这样就完成了风力发电机组中各个阶段的运行。

4 风能接入对系统影响

风能资源是清洁的可再生能源，在中国大力发展可再生能源政策的引导下，风力发电技术迅速发展。但是风电能随机性、间歇性和反调峰特性给系统的安全稳定运行带来挑战，另一方面可能导致常规机组偏离最佳运行区，增加系统成本。所以许多学者对有功功率进行控制，改善风电场并网对电力系统的影响，正成为新的研究热点，引起人们的广泛关注。

结合目前的运行经验表明：风电系统的接入，对电网的稳定性的影响主要有电网频率的影响，对电能质量的影响，以及对系统备用容量的影响。对风电进行有功控制，可以在现有的网架结构、电源结构、负荷特性、风电预测水平、风机制造技术水平条件下，提高电网接纳风电能力，保证电网的安全稳定运行。随着风电在电网中的比例不断提高， 大型风电场实现可控运行是风电并网运行的发展的必然趋势。如何进行有效的优化设计，如何可以有效的实现同步并网运行，是未来对风电场的有功功率控制策略，提高风电场的穿透功率一种迫切需要。

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