0引言
风力发电技术与功率控制策略
文/李 宁
漠、荒岛及沿海的浅海中建造，占用耕地规模大大减少。运用风力发电，不会产生废物或废气，不会对环境和人类造成影响。例如，年发电量为 207 871.9毫瓦小时的风电场，与燃煤电厂相比，按照火电煤耗312 克每千瓦·时计算，每年可节约标煤66 700吨，每年可减少CO2排放量约170 800吨、SO2排放量约81.1吨、烟尘约6.6吨、氮氧化合物排放量约72.8吨。
2风力发电技术的基本发电原理
风力发电主要是把风能变成机械能，然后将其转变成电力能源。风力发电机组是风力发电中运用的一种设备装置，其主要可以分为3个部分，即塔架、风机主机、叶轮。
叶轮装置将风能转变成机械能，其主要包括：三片螺旋桨形状的桨叶、轮毂。在风的作用下，桨叶上形成的气动力带动了叶轮的转动。
风力发电机的塔架，即一套为整个叶轮、风机主机提供支撑的构架。在对塔架的高度进行设置时，需要全面考虑当地风速、实际环境地面障碍物以及叶轮直径大小对风速造成影响，确保设置塔架的高度符合风力发电机组实际工作的要求。
通常风机主机的组成部分包括：发电机、增速机、转体和尾翼，这些部分均发挥了重
要作用。实际工作中，在风力
的作用下，风机叶轮开始旋转，
借助增速机使旋转速度加快，
向发电机传递机械能。一般发
电机转子均是使用励磁体或永
磁体，利用定子绕阻切割磁力
线促使电能产生，最后由发电
机把机械能转化为电能。为了
保证叶轮在工作中一直对准风
向，实现功率最大化，在实际使
用时需要把尾翼安装在叶轮后，
风力发电机的转体和尾翼可以
保证叶轮一直和风向保持一致，
以获得最大的风力作用力。
3风力发电技术的发展趋势
3.1风力发电从陆地风电朝着
海上风电发展
现阶段，陆地上的风力
发电应用范围越来越广，但陆
地上风能充足，具有电力消纳
能力且符合开发条件地方并不
多，所以风力发电风能逐渐从
陆地风能转移到海上风能。最
近几年，海上风电场的规划规
模越来越大。在海边浅海地区
建设风力发电场，既解决陆地
风场对土地资源占用率较大的
问题，又能大大降低发电成本。
3.2风力发电机组发电机朝着
变速恒频直驱永磁同步发电
机方向发展
现阶段，风力发电已朝着
变速恒频风力发电机的方向发
展，变速恒频直驱永磁同步发电
机系统在变流技术以及可靠性
方面，优势更为显著。借助直
驱永磁同步发电机系统，可以
确保系统更加可靠，全功率变
流技术可以满足低压穿越要求。
3.3风力风电机组的容量日益
增大
现阶段，科学技术水平日
益提升，风力发电机组的单机
容量增大已成为大势所趋。当
前，国内投产建设的风力发电
机组的单机容量均不小于2兆
瓦，陆地风力发电机组最大能
够达到6.25兆瓦，国内已开始
研发试验单机容量更大的风力
发电机组。国内外已加大了对
容量为10兆瓦以上的风力发
电机组的研发力度。在科学技
术的不断发展下，今后，风力
发电机组的最大容量可能会达
到20兆瓦甚至50兆瓦。
3.4结构发展趋势
在风力发电发展之初，因
为技术和材料受限，风力发电
机组在结构设计方面仍有诸多
缺陷。近年来，随着科学技术
以及材料技术的迅猛发展，借
助结构优化和重新设计，提高
了风力发电机组的可靠性，同
时全面优化设计风机系统，选
择最佳化的材料，确保控制的
安全性和稳定性。借助优化设
计风电机组结构，可以显著降
低风电机组的负荷，同时风机
也能有效降低风机的制造成本
和整体重量，风力发电机组变
得更加可靠和安全。
4风力发电功率控制策略
4.1风力发电机组变桨距控制
立足于不同的风轮轮毂以及叶片安装方式可以将风力发电机组分成两种类型，即变桨距和定桨距。其中，定桨矩指的是轮毂和风轮刚性连接，叶片的桨距角不发生改变。定桨距整机结构部件少、造价低、结构简单，同时十分安全。但存在过于依赖叶片独特翼型结构的不足之处，并且叶片结构复杂，涉及较难的成型工艺。在功率加大与叶片加长的情况下，其需要承受的气动推力也更大，不利于叶片刚度设计，
难以控制失速动态特性，因此在兆瓦级之上的大型风力发电机组中进行运用。对于变桨距风力发电机组而言，其在轮毂与叶片方面主要采取非刚性联结方式。当风速大于切入风速时，叶片绕叶片纵梁旋转，桨距角发生改变，使叶片角度和风向相对应，获得多重功角，不管风速怎样改变，叶片都能居于最佳功角位置，进而确保在风速不断改变的情况下，风轮转化率能够维持在最高状态之中，获得最大化的发电效益。如果风速比额定风速高，那么叶片会向着小迎风角进行变化，获取的风能减少，确保叶轮在输出功率方面不会比发电机额定功率高。当风速比切出风速高的时候，风力发电机组停止
运行，桨叶顺桨，防止严重破
坏风机。相较于定桨距风力发
电，基于额定风速，变桨距风
力发电机的输出功率的稳定性
更强。桨叶控制技术的越来越
成熟，硬件设施发展日新月异，
变桨距风力发电机的性能越来
越稳定，适用于大功率发电机
组的制造。为了约束动态转矩，
应确保变桨距输出桨距角的变风能发电原理
化速度始终控制在每秒5°以
内。在功率的不断加大下，叶
片对驱动力提出了更高的需求，
这离不开精度、强度高的变桨
距机构的支持。目前，变桨执
行机构主要有两种：液压与电
动变桨距，控制方式涉及统一
与独立变桨两个方面。
4.2风力发电机组偏航控制
在风力发电机组控制系统
中，偏航控制系统占据着尤为
重要的位置。通常来说，偏航
系统的组成部分有偏航液压回
路、偏航驱动装置、扭缆保护
装置等，能够与风电机组控制
系统之间相互配合，保证叶轮
维持在迎风状态中，提高发电
效率，使风电机组运行的安全
性得到保证。风力发电系统的
偏航控制系统主要分为主动迎
风偏航系统和被动迎风偏航系
统。主动迎风偏航系统通常运
用于大型并网型风力发电系统
之中，通过下风向的风向标将
信号发出，加强风控制。被动
迎风偏航系统通常在应用于小
型独立风力发电系统之中，通
过尾舵控制，当风向出现变化
时，被动对风。因为风的方向
随时在发生变化，所以必须使
机舱始终保持可转动状态，确
保风轮能够一直保持正面受风
状态，以最大化捕获风能。但
在下风向、风向仪精度等相关
问题的影响下，难以实现精准
对风，进而不利于最大化的捕
获风能，同时导致风电机组桨
叶运行过程中无法均匀受力，
很容易造成机组和叶片的振动
疲劳。所以应密切关注对风控
制精度的提升措施，加大理论
研究力度，寻科学合理的控
制算法和策略，促进叶轮对风
控制精度提升。
4.3风力发电机控制功率
当前，风力发电机组的构
造逐渐增大，在大型风力发电
机组制造中运用的发电机通常
是双馈异步风力发电机。在风
力发电机的结构中，定子绕组
和工频电网连接在一起，转子
绕组可以对频率相位、相序与
幅度进行调节。内部主要运用
交直交变流器，在双馈异步发
电机的作用下，能够实现在风
速不同的情况中，风力发电机
组的使用不会受到丝毫影响。
同时，发电机的转速还能以风
速的改变为基础展开调节，确
保风力发电机组运行状态最佳
化，显著提升风能的使用效率。
在输出发电中，能够实时控制
馈入转子绕组电流参数，从而
确保频率与电压恒定，使风力发电系统更加稳定。借助风力发电机全面控制风力发电中的输出功率和运转功率，提升发电和输出的安全性，确保风电机组运行更加稳定和安全，让风力发电社会、经济效益能够实现全面的提高。
4.4基于风速的功率控制方法（1）功率控制基本原理。
风速在额定与切入风速之间出现改变之后，能够通过变速控制追踪最佳功率曲线，以获得最大化的功率。若是风速在切出与额定风速间进行改变，那么应通过变桨距的方式控制，借助对桨叶桨距角的改变使额定功率的稳定性得到保证。此方法必须和实际风速大小相结合，运用适宜的控制方法，有效提高风能利用率。（2）控制流程分析。
在展开变桨控制的过程中，其主要控制流程：第一，在风力发电机组顺利并网，将整个系统初始化，同时把桨距角β初始值设置成0，判断这
时候风速的大小。第二，对风
速和切入风速数值展开判断。
若风速超过切入风速，则风机
会进入运行状态。这时候便可
以对下述3个方面进行考虑：
首先，在切入与额定风速间的
风速出现改变时，确定运用变
速控制的方式展开，可以和转
速信号和驱动信号相结合，利
用齿轮箱对发电机转速进行调
节，同时对比发电机转速给定
值，构建闭环反馈自动控制系
统，该系统可以追踪最佳曲线
变化，进而得到最佳风能系数。
其次，风速高于额定风速，但
未超过切出风速时，那么变速
控制器就会停止运行，然后变
桨距控制器运行，同时和功率
信号以及其给定值相结合展开
对比，借助DSP控制器发出驱
动信号，由此启动液压变桨距
机构，调剂桨叶桨距角幅度变
化，进而构建起闭环反馈自动
控制系统。最后，风速超过切
出风速后，风力机液压刹车机
构会运行，风机不再运行，而
风力发电机组会切出电网。
5结语
现阶段，人们已充分认识
到了风能的重要作用，同时积
极优化了风电技术。今后，风
力发电机组的制造成本和风力
发电场的建造成本将会越来越
低，同时沿海地区风力发电建
设将会逐渐转移到海上。对风
力发电进行推广的过程中，为
了拓宽其规模，需要积极探索
和优化风力发电技术，以促进
风力发电效率提升。在控制风
力发电机组功率的时候，技术
工作人员应对风力发电具体环
境进行全面考察，健全机组内
部结构，优化软件行为动作逻
辑和控制精度，让风力发电设
备维持在稳定、高效的状态中。
李宁，工程师，中国航空工业新能源
投资有限公司。
（编辑 姚 鑫）
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