风力发电电气控制技术及应用实践

中国电建集团核电工程有限公司 李春奇

随着时代的进步，电力运用范围越来越大，人民的生活工作中少不了电力的支撑。在国家社会经济稳定发展的同时，社会群众对电能的需求量越来越多，为更好满足时代发展所需，国家相继研制出多种能源生产科技，旨在改善国内供能环境。国内发电途径较多，具体包含火力发电、风力发电和水力发电，而风力发电科技属于电能技术体系的组成部分，电气控制系统直接影响到风力发电厂可靠运转。

1 风力发电现状

1.1 风力发电和电气控制技术概述

风力发电是指把自然界内的风能变为电能，许久之前就已经在利用风能，风能存在较多的蕴藏量，干净环保，是可再生能源，当前各种能源比较稀少且受到巨大污染，利用风能可以在较大限度上缓解这一现象，利用风力发电时既能够节省资源、还不会影响外界环境，因此全球很多国家都非常重视风力发电，在国内也获得了显著发展，但是风能缺少一定的可靠性，主要受自然条件干扰，例如环境、气压以及温度等，所以为处理这些问题，选择风力发电阶段要利用电气控制技术，提高风能应用的稳定性[1]。电气控制技术主要指组装几个电气配件，用其管控某一对象或部分对象，以保障控制设备运转过程的稳定性、安全性。当前，发电方面充分采用电气控制手段，可以更好管控整个发电过程，效果非常明显。

1.2 电网质量无法获得保障

风能发电存在明显的不可靠性，这是造成电网质量无法获得保障的重要原因。由于风能发电一般是通过使用风力完成发电，风能原本就存在极大的不稳固性，其风速与风向都不稳定，所以如果不能严格管控风能，当风速与风向出现变化时会导致电力负荷与电能都会随之出现变化，若变化太大、超出了电网可承担的范围，就会降低电网质量。

1.3 风能发电系统组成繁琐

受科技水平的影响，如今国内风能发电系统组成与动态特性都非常繁琐，其中主要包含两类系统模型，即非线性模型和线性模型都被用于风能发电领域，但因为二者在作用发挥和对环境需求上存在差异，所以采取传统的技术方法，集中对其展开技术控制，势必不能彻底满足两类模式下风能发电系统运转需要，所以，把电气控制技术充分用于系统方面显得特别关键。

1.4 风能发电厂机组运维问题

电厂机组问题主要指变电器、风电机与输送设备在发电阶段影响到安全运转的问题。现如今，风电装置的运转缺少系统的、可预测性的机组管理体制[2]。运维方面具体表现为：风能发电电气维护一般是定时检修与故障维修相统一，几乎是等电气装置产生故障才开始系统维护，这是维护的早期阶段；现存的风电检测一般集中于电气装置方面，只控制室实测电机与变压其传输功率等，并没有仔细检测电气装置的寿命以及有运转隐患的配件，使得电气运转时无法实时掌握运转状态，仅能在维护时找到问题；许多风电厂管理方式较为粗放，采取火电、水电控制方式，管理性弱，缺少创新性。维护者水平有限、缺少工作热情、责任感差，由此导致风电装置故障很多，处理周期长，下降正常风电运转效率。

1.5 外部因素严重影响

风能发电装置运行环节，除发电装置本身的故障现象会干扰发电系统可靠运转外，还有大量外部因素严重影响，具体包含自然因素与人为因素[3]。针对自然因素而言，通常风能发电装置都建造在高水平面地理位置，这些位置的气温、气压、雷雨和湿度等外部因素的改变非常极端，既会影响风能发电装置可靠运转，还在一定程度上破坏了风能发电装置，极大影响着风能发电装置正常运转；针对人为因素而言，风能发电装置的控制比较繁琐与专业，如操作者缺少较高的专业技能与服务意识，在具体操作中极易产生违规工作或疏漏工作，既不能有效保障风能发电装置的安全性，还会引发许多危险，导致风能发电装置瘫痪。

2 电气控制技术具体运用实践

我国很早就开始探究风能的使用，但具体应用仍采取示范模式展开，而且未形成规范。1990年后国家开始规模化创建风能发电厂，随后国内风能发电科技探究就迈向高速发展阶段，按照2016年气象局的风力资源调研结果表明，国内风能发电总储备量高达14864万kV，装机总容量是16900亿kV，已是世界第四大风能发电地区。现如今涌现了大量风能发展科技，而且得到普遍使用，下面就对常见技术展开介绍。

2.1 变桨距发电方法

风能发电阶段，如用作风能发电的装置出现输出功率低的现象，将下降风能使用效率，甚至影响发电质量，由此必须严格管理风能发电装置的风速功率[4]。若想处理这种问题就必须采取变桨距发电方法，经调整桨叶角度（图1），确保风速太高时管控风能发电装置，从而提高风能使用效果。此外，选择重量轻、方便的物料加工变桨距扇叶，如此可以降低扇叶重量，由此降低装置总体质量还可以减小压力，进而避免风能发电装置运行过程的故障。但是变桨距运行过程会产生失稳现象，需要投入大量人力与物力，增加了人力和物力的消耗，伴随电气控制技术含量的不断提高，相信会妥善处理这种问题。

图1 不同桨叶的桨距角对传输功率的影响

2.2 定桨距失速风能发电方法

为处理风能发电装置运转阶段的并网情况，1985年开始在风能发电方面使用定桨距失速风能发电方法。发电装置运转阶段一个十分关键的因素即定网，为进一步提升定网作用率，国内技术工作者投放了许多精力，最后选择把定桨距失速风能发电方法和现实的风能发电相统一，且把新发电科技和旧风能发电方法相统一，如此能够更好稳固风能发电装置的运转轨迹[5]。由此能够发现，定桨距失速风能发电的核心目的即限制功率，所以其本身的结构比较繁琐且质量与体积很大，就算能实现功率限制目标，也很难保障整个设备的运转效率。

因此，在推动这项工作时重点在于功率限制，一般是借助繁琐的叶片结构和很大的质量来完成，这样将影响发电装置的总体运转效率，在风能级数很高的区域，该技术尚未得到普遍使用（图2）。因此，在今后的风能发电电气管理系统中，要着重考虑怎样在风力很大的区域采用定桨距失速风能发电方法。

图2 不同运速下功率随风速的改变曲线

2.3 变速风能发电方法

风能是一种绿色、干净、没有污染的可再生能源，因其本身可靠性很差，不能正常管控风速等特点，故在风力发电过程按照风向的改变性与风机叶持续的变动，必须科学使用且把控操作方法，否则将下降风力发电效果及效率。调整过程分析发电机运转时可能产生的一系列变化，就能够完全保障风力发电应用效率。此外，在现有的风力发电机管理系统内，最常见的管理系统包括三种：改变速恒频管理、叶尖速比追踪管理、除去力矩运动链上力矩震荡管理。

最早使用风能发电通常是选择恒速恒频模式发电，该方法早期较为成熟且操控简便，但所要风力效率较低。唯有当风力尖速处于最好状态且维持不变，此时就是最大化使用风能。当前，恒频变频模式受到广泛关注且获得普遍应用，但是大规模应用还比较困难，由于该技术所需的恒频设备相对较为繁琐，不同区域是适应的风速区不一样，扩大了风能发电使用范围，因此在应用时必须严格控制与利用，在最大程度上提升风力效率，且全面推进国内风能发电行业的持续发展。

2.4 主动失速方法

主动失速方法有效整合了定桨距失速方法与变桨距发电方法因此称为混合失速发电方法，根据风速的变动、风向的改变合理调节桨距角，由此管理风能捕捉量及风速，有较高的能量转变效率，一定程度上保障了风能发电的运转效益。但是在具体使用时一直会出现失速问题，由此影响着输出功率，极大干扰电气控制，对此必须加大改进力度提高技术水平。

3 风能发电装置维护及管理策略

3.1 制定健全的技术控制体制

技术控制体制属于风能发电厂运转管理体系方面的核心构成部分，还是发电厂稳定生产的重要保障。制定健全的技术控制体制要涉及如下内容：

创建规范的班组系统。风能发电厂需贯彻执行各项安全生产体系，最关键的是加强班组控制。班组属于风能发电厂的一线组织，还是员工最多的部门之一，在组织结构上占有核心位置，风能发电厂运营管理的安全与管理策略，均需要班组有效实施。提高班组安全控制要求，班组人员唯有把安全生产观念时刻放在首位，方可防止事故的出现。制定健全的安全控制体制，班组安全工作需实现常规化、制度化、标准化。安全应融入工作的方方面面，保证工作前做好安全安排，工作时有安全措施，工作后做好安全总结，让班组人员形成较强的安全责任思想，且在工作方面熟练了解安全知识。

提升技工和管理者的专业素养及能力。按照不同的办公环境及职工文化差别，还有不同职工的要求，安排多样化安全培训活动，鼓励职工踊跃学习安全工作知识与工作规程，令安全生产从被动状态变为主动防范，在思想与技术方面满足安全生产需要；构建健全的数据系统。对电气装置进行数字化控制，尽量借助计算机技术取代人工劳动，提升自动化程度，节约人力费用。制定运行登记机制，可以实时监测且记录所有电气装置的运转状态，并将之整合共享，方便维护和管理电气装置。

3.2 重视关键机组选型与质量保障

风能发电装置像发电机等均是非常昂贵且难以调换的，若想保障这些供电配件的质量，就必须加强全过程控制。在订购机组时，要注重机组选型和应该有的特点细节，比如110kV 有载调压变压设备中压侧不能安装调压线圈，而且降压变压器尽量具备67%及之上的自冷性能，同时优选已经过专业检测且验证达标的机组，仔细研究所订购机组的测试报告，做好核算工作。出厂测试所购配件时，需要保障其各种性能在规范实验下的结果符合实际要求，且把各种实验结果制表并合理分析。

此外，为保障实验结果具备代表性与真实性，必须通过反复测试积累原始信息，把多遍结果前后展开比较，以检测其可否稳定运转，该项工作需要机组投用后定时展开，以确保风力发电供电稳定运转状态，比如以250h 或30天为一个周期检测发电机，由此减小发电机故障出现的几率。

综上，随着国家经济水平的日益提高，国内许多能源出现巨大消耗，而风能发电既是一种可再生资源，大大节省了其它能耗，所以风能发电变得越来越成熟。我国是个物产颇多的资源国家，为风能发电提供了良好条件，由此突出了风能发电在国内电力领域具有十分关键的作用，既推进了国内电力行业的长远稳定发展，还提升了社会经济效益。