谭黎明
华能新能源股份有限公司四川分公司 四川成都 610000
摘要：风力发电是一种十分清洁的新型产能方式，具有可不断再生、无污染、设备安装便利的特点，因此，受到世界各国的普遍重视。虽然风力发电有很多优点，但也存在一个重大的问题，由于风力发电的能量来源取决于风，无法人为控制风速大小及能量强弱，因此在发电过程中，扇叶的转速也十分不稳定，虽然很多专家学者进行了相关研究，实现了风机相对稳定的产能结构，但是还是无法确保发电机的高效和稳定输出。在这种情况下，一些学者提出了最大功率点跟踪技术，并迅速在风电研究中获得了快速推广。
关键词：风力发电机;最大功率;控制方法;
引言
调节变桨距的风力机功率时主要依靠叶片自身特有的气动特点，与此同时还可以针对叶片桨的距角进行相应的调整也可以达到调节的目的。在风电机组的额定的风速下，有效的对桨距的角度控制在零度较小的标准范围中，进而其达到一台定桨距的风力机，而发电机所输出的相应功率则依据叶片自身的气动性伴随风速的变化；如果实际的功率高于额定的标准功率时，变桨距会对叶片的桨距角进行相应的调整，进而确保发电机所输出的功率被局限于额定标准范围的附近，由此最终达到以恒定功率的运行状态。
1 国内风力发电的现状
就技术层面而言，国内的风力发电主要分成了三步走的策略，首先引进国外先进的技术，其次对国外的先进技术进行消化吸收和转化，最后实现自我技术的提升与创新。目前我国传统的电力设备逐渐退出市场，而当前的电力设备进行了更新与换代，我国当前的风力发电的设备也在蓬勃的发展，其组设置也在逐渐提高，就发电行业而言，我国设备和关键零件都能够满足我国当前风力发电的需求。所以加强风力发电装备设置的技术创新，促进自主创新能力的提高，能够有效地推动风力发电系统的完善与进步，风力发电的关键技术也是推动风力发电，甚至我国电力行业进步的重要内容，其中控制系统是其关键的内容，为了推动该行业的发展，需要有效地提高控制系统的效率。
2 风电系统性能分析
2.1风力发电结构分析
在我国一般把50W～10kW的风力发电机定义为小型风力发电系统。小型风力发电系统一般都可分为产能、发电、储能三个部分：产能部由风轮和风机控制装置组成，负责收集风能；发电部分由发电机、功率控制器等部件组成，负责将风能转变为电能；储能部分由蓄电池系统组成，负责将电能进行存储。
2.2风机的分析
一般来讲风力机叶片冰形形态在温度低、风速风向波动小的雾凇覆冰天气中形成的多为流线冰，外形轮廓较为规则，沿叶片展向分布均匀；而在温度高、风速风向波动大的雨凇覆冰天气中形成的多为包含较多不规则结构且沿叶片展向分布不均匀的角状冰。冰的宏观轮廓可以通过提炼冰形几何特征量的方法来描述，以流线冰为例。首先基于在自然条件下观测的大量叶片覆冰图像归纳出叶片覆冰的典型状态；之后在人工气候室模拟覆冰，得到叶片流线冰的具体形态，提取关键几何数据，绘制叶片流线冰示意图；最后根据示意图和文献中的相关研究成果，进行参数化表征。
模拟流线冰对风力机功率性能的影响研究叶片模拟流线冰对风力机功率性能的影响需要充分考虑模拟冰质量和驻点厚度这两个关键因素，为了系统、定量地研究不同的叶片模拟冰质量和厚度对风力功率特性的影响，利用彩泥和腻子搭配的模拟材料人工模拟五种不同质量和厚度的流线冰。根据在野外自然条件下的大量试验观察、实际的覆冰试验以及现有研究的表述，可以得知，在不同覆冰工况下，风力机叶片前缘覆冰厚度从覆冰起始位置到叶尖处呈近似线性的增长关系，叶片的覆冰主要集中在叶尖部位，因此，驻点厚度均指叶尖处的驻点厚度。
2.3优化爬山算法效果
在系统中，人为将风速设定为由5m/s到8m/s的变化，并捕捉在风速变化过程中输出的功率大小，当风速在初始设定的5m/s时，只需要经过0.5s发电系统便可稳定在最大功率；而当风速直接突变至8m/s时，系统也只需要0.5s左右的时间，就可确定最大功率点，其计算速度和稳定性要优于传统算法。风速在5m/s时，发电系统的占空比一直维持在0.33~0.36之间，相对传统算法更加稳定；当风速由5m/s提升到8m/s后，占空比也提升到0.60左右；当风速最终稳定在8m/s后，发电系统的中占空比则一直稳定在0.56~0.60之间，波动范围相对传统算法要小的多。
3 风力机功率控制研究
3.1变桨距角控制
3.1.1变桨距角控制的工作原理
变桨距控制的主要功能之一是在高风速下维持发电机输出功率恒定，此外，在电网故障下可以通过控制风轮转速来提高风力发电机组的暂态稳定性。典型变桨距控制型风力机的机械功率与风速曲线，如果实际的风速超出额定的标准风速时，使用变桨距的控制技术便可以促使风力机来得到一定的功率维持在其额定值处。风速小于等于额定值，叶片保持额定攻角处。风速高于额定值，叶片攻角减小，升力变小。
3.2高风速下的变桨距控制
变速风力机的桨距角调节装置可以通过风轮机转子转速的偏差量进行相应的调整，即转速控制；还能够利用风组输出的功率加以调整，即功率控制。而在本文则依据实际的情况选择不同控制目标时的不同，当处于高风下使用功率控制的形式，而在电网故障时则使用转速控制的形式。本次PI控制桨距角，其主要整体的结构干分简单，而且反应的速度也特别快。如果风速大于额定标准，但低于切出风速时，为了避免风力机可能受到破坏，则对风力机调整功率，确保处于恒定。
3.3风力机功率曲线分析
功率曲线是反映风力机组性能的重要指标，它表征了风力机实际输出功率和风速之间的对应关系，为了系统地研究风力机的功率性能，需要将流线冰和角状冰的功率曲线进行对比分析，现以雨凇覆冰为例，给出模拟流线冰和角状冰时的功率曲线，风力机的输出功率随风速的增加而逐渐增加，在相同风速下，随着叶片覆冰质量和厚度的增加，出现了不同程度的功率损失；同样风速下，相较于流线冰，模拟角状冰时平均功率损失较大，角状冰对风力机气动性能的影响更为显著。叶片表面的模拟冰导致叶片前缘压力产生振荡波动，并且来流风速越大，迎风面与背风面的压力差值降低程度越明显，这就减小了叶片的输出扭矩，降低了气动性能。相较于较规则的流线冰，具有角状结构、规则性较差的角状冰由于冰角的存在，其相对风速在冰角凹槽内急剧降低，当风速较大时，叶片表面压力分布受影响程度增加，波动更加剧烈，使得叶片气动性能严重恶化，同时，角状冰的角状结构会严重阻碍叶片绕流，间接增加流动阻力，带来额外的能量损失，更加严重地影响风能利用率。因此角状冰相较于流线冰对叶片整体的气动性能影响更大，对风力机输出功率的影响更为显著。
结束语
模拟仿真模型详细考虑了风速变化、风力机、桨距角控制、功率变换控制系统等，高度接近实际典型风力发电机，具有较好的准确性。
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