杨 磊
江苏国信东凌风力发电有限公司、江苏省南通市、226400
摘要：风能是一种清洁、无污染、极其丰富的可再生能源。与传统能源不同，它是取之不尽的能源。中国是一个能源消费大国，但是石油和煤炭已经不能满足日益增长的能源需求。在所有可再生能源中，风力是目前增长最快的。风力发电作为一种新型、安全、可靠的清洁能源，已经被越来越多的人所认识。关于风力发电的主要技术方面，风力涡轮机控制技术是风力涡轮机的核心技术。我们简单研究了风力涡轮机的控制技术和方法。分析传统和先进的控制方法。
关键词：风力发电机；控制技术；分析
1我国风力发电现状
中国风力发电企业经历了技术引进消化吸收，现在逐步实现了自主创新。目前，国内5mw容量级风力发电产品下线，国内MW级风力发电机组逐步普及，我国MW级风力发电的自主研发水平越来越高。随着中国风力发电设备制造业的日益集中和国内风力涡轮机市场份额的不断增加，风力涡轮机制造相关企业基本上能够满足国内风力发电发展的实际需求。然而，我们仍然需要依靠进口转换器和其他方面。因此，为了进一步发展我国风力发电设备制造业，我们必须从技术方面入手，加大自主创新的重要性，加大能源投入，做好关键技术研究，特别是关键设备技术的研发。
2风力发电的应用
2.1定桨距失速风力发电技术
固定桨距风力涡轮机在20世纪80年代中期进入风力发电市场。其开发成功解决了发电机组并网问题，运行安全可靠。固定桨距风力涡轮机主要是软并网技术、空气动力制动技术、偏航和自动电缆释放技术的组合。其特征在于：叶片与轮毂固定连接；当风速变化时，叶片的迎风角不变，叶片翼型本身的失速特性结合在一起；当风速高于额定值时，气流的工作角会达到失速状态，从而在叶片表面产生湍流。降低发动机的效率以达到限制功率的目的。风力发动机的这一特性控制发电系统安全可靠。然而，为了达到限制功率的目的，叶片很重，结构复杂，并且机组的整体效率相对较低。因此，当风速达到一定极限时，有必要停止使用。发电机的转速受到电网频率的限制，输出功率受到叶片本身性能的限制。当风速高于额定转速时，叶片可以通过失速调节功能将功率控制在额定值范围内。起重要作用的是叶片独特的翼型结构。当遇到强风时，流过叶片背风侧的气流产生湍流，这降低了叶片的空气动力学效率，影响能量捕获，并产生失速。失速是一个复杂的过程。当风速不稳定时，很难产生失速效应，因此很少用于控制MW级以上的大型风力涡轮机。
2.2变桨距风力发电技术
从空气动力学角度来看，当风速太高时，可以通过调节叶片桨距和改变气流对叶片的迎角来改变风力涡轮机获得的空气动力扭矩，从而保持稳定的输出功率。通过变桨距调节，风扇的输出功率曲线是平滑的。阵风时，对塔架、叶片和基础的影响小于失速调节型风力涡轮机，这可以降低材料利用率，减轻整个机器的重量。它可以自动调节叶片桨距角，适应不同风力条件下的功率调节，特别是使功率曲线接近额定风速，增加风力涡轮机的年发电量。然而，它也有一些缺点，即它需要一个复杂的可变螺距机构。变桨距机构的设计要求对阵风的响应速度足够快，以减少风波动引起的功率脉动。同时，变桨距致动器和液压驱动系统复杂，这使得难以有效地确保操作可靠性，并且成本也很高。
2.3主动失速/混合失速发电技术
主动失速/混合失速发电技术是上述两种技术的组合。当风速较低时，调整桨距可以提高空气动力效率，使桨距角向减小的方向转动一个角度，增加相应的迎角，加深叶片的失速效应，从而限制风能的捕获。这种调节螺距的方式不需要非常灵敏的调节速度，并且致动器的功率相对较小。风力涡轮机超过额定风速(通常为14~16m/s)后，由于机械强度、发电机、电力电子容量和其他物理特性的限制，风力涡轮机的能量捕获必须减少，以保持功率输出接近额定值，同时减少叶片承受的负载和整个风力涡轮机受到的冲击，从而有效避免对风力涡轮机的损坏。这种调整将导致叶片迎角改变，导致更深的失速和更平滑的功率输出。
2.4变速风力发电技术
风力涡轮机的部件是恒速恒频风力发电和变速恒频风力发电。变速风力发电技术改变了风力涡轮机的恒速运动规律。它可以根据风速的变化调整运行，并保持恒定频率发电。当风速很小时，它会努力获得更多的风能。当风速过大时，它会调整并储存转换后的能量，这比恒速风力发电机组的实际范围要宽。变速风力发电技术可以根据风速的变化确保恒定的最佳叶尖速比，并在风速较低时获得尽可能多的风能，以确保稳定的输出。风力涡轮机的部件是恒速恒频风力发电和变速恒频风力发电。变速风力发电技术改变了风力涡轮机的恒速运动规律。它可以根据风速的变化调整运行，并保持恒定频率发电。当风速很小时，它会尝试获得更多的风能。当风速太高时，它会调整和储存转换的能量，这比恒速风力涡轮机的实际范围更宽。变速风力发电技术可以根据风速的变化确保恒定的最佳叶尖速比，并在风速较低时获得尽可能多的风能，以确保稳定的输出。风力发电的应用范围扩大，促进了中国风力发电市场的发展。
3风力发电机组控制策略
风能是一种能量密度低、稳定性差的能源。由于风速和风向的随机变化，风力涡轮机叶片的迎角不断变化，导致叶尖速比偏离最佳值。风力涡轮机的空气动力效率和输入到传动链的功率发生变化，影响风力发电系统的发电效率，并导致扭矩传动链的振荡，将影响电能质量和连接的电网，甚至影响小电网的稳定性。风力涡轮机通常使用柔性部件，这有助于降低内部机械应力，但同时也使风力系统的动态特性复杂化。且扭矩传递模块将大幅振荡。目前，对风力发电机控制策略的研究根据控制器的类型可分为两类：基于数学模型的传统控制方法和现代控制方法。传统的控制采用线性控制方法，通过调节发电机电磁转矩或叶片桨距角，将叶尖速比保持在最佳值，从而实现风能的最大获取。对于快速变化的风速，其调整相对滞后。同时，基于某一工作点的线性化模型不适用于工作范围宽、随机干扰大、不确定因素多、非线性严重的风力发电系统。
3.1常规与先进控制方法
传统的PID控制器用于在低风速和高风速条件下控制和调节转子速度和叶片桨距角。常用的二维模糊控制器将误差和误差变化作为输入变量。因此，这种控制器具有模糊比例微分控制功能，但缺乏模糊积分控制功能。积分控制可以消除稳态误差，比例控制具有快速的动态响应，因此可以将pi控制策略引入模糊控制器，形成模糊PID复合控制。这种复合控制策略是设定一个阈值，在大偏差范围内采用模糊控制，在小偏差范围内将其转化为PID控制。
3.2现代控制方法
现代控制方法主要包括变结构控制、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等。变结构控制因其响应速度快、对系统参数变化不敏感、设计简单、易于实现等优点，在风力发电系统中得到广泛应用。鲁棒控制具有处理多变量问题的能力。对于具有建模误差、参数不准确和扰动位置的系统的控制问题，可以直接用稳定性强的鲁棒控制来解决。模糊控制是一种典型的智能控制方法。其最大的特点是，它将专家的知识和经验表达为控制的语言规则，不依赖于被控对象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响，并且对被控对象具有很强的鲁棒性。
结束语
尽管中国的风力发电产业近年来发展迅速，但也暴露出许多问题。在一些具有独立研发能力的风力发电企业中，设计所需的应用软件、数据库和源代码需要从国外购买。在风扇制造方面，风扇控制系统和逆变器系统需要大量进口。与此同时，一些核心部件如轴承、叶片和齿轮箱与国外同类产品相比，在质量、使用寿命和可靠性方面仍有很大差异。最后，我国风力发电技术标准和规范不完善。包括风扇制造、测试、调试、关键部件和电场网络的生产，以及其他相关标准亟待建立和完善。因此，展望中国风电产业的未来发展，我们必须加强自主创新，掌握核心技术。必须加快电网建设，合理调节风力发电发展。必须加强政策支持，建立和完善统一的风力发电标准和标准体系。
参考文献
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[2]汪旭旭，刘毅，江娜，段延芳.风力发电技术发展综述[J].电气开关，2017，（03）.