张翔
甘肃龙源风力发电有限公司 甘肃 兰州 730000
摘要：随着人们生活水平的提高，对能源的需求也不断增加。为了满足人们对能源的需求，就必须加快对新型能源的开发和利用。风能作为一种清洁能源，它的利用需要结合风力发电电气控制技术，可以有效的提高风力产业的产出率。本文深入探讨了风力发电电气控制技术在我国的发展历程以及应用现状，分析了风力发电电气控制技术发展遇到的典型问题，并在最后对该技术面临的挑战和发展趋势进行了探究。
关键词：风力发电电气控制技术；发展；应用；问题
在电力能源技术的体系中，风力发电技术是其中具有重要价值的技术之一，而且，风力发电技术中的电气控制技术的应用可以保障发电厂能够运行的更加稳定，让风力发电带给人们更多的经济效益，不断满足人们对能源的需求。
1 风力发电电气控制技术发展历程
1.1恒速恒频发电系统
异步发电机、风力机、并联电容器和齿轮箱这四部分是恒速恒频发电系统的主要构成组分，该发电系统利用定浆距失速控制方式及并联的电容器组，能够确保风力发电机的产生恒定的转速和恒频的电压，并增大电网的功率因数。但是，因为风速的变化波动比较大，该系统输出的功率就会很不稳定，而且会导致该系统部件的损坏、电网稳定性下降。由于这些局限性，逐渐在恒速恒频的基础上出现了变速恒频发电系统。
1.2变速恒频发电系统
鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统在运行时由于风速的变化在不断的波动，致使鼠笼异步发电机的转速不恒定，产生的电频率实际上是波动的。变频的电能向恒频电能的转变是经过电网和定子绕组之间的变频器实现的。然而，因为变频器在使用时其容量需要和发电机的容量相当，导致了鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统的重量、体积大小以及成本都比较大，不适合某些容量较大的风力发电系统。
交流励磁双馈式变速恒频风力发电系统利用三相绕线式异步发电机，而且它的定子绕组直接和工频电网相连，三相转差频率变频器与转子绕组相连。在运行时，发电机的转速会随着风速的改变而改变，想要实现变速恒频运行的目的，就需要利用变频器去调整转子的励磁电流频率进而调整转子磁势旋转的频率，使定子的输出频率保持恒定状态。这种系统可以让发电机平稳运行，增强电网的稳定性，并保证电网的质量。但是转子回路的滑环和电刷结构需要定期维护，增加刘运行成本，也使稳定性降低。
直驱式变速恒频风力发电系统利用的是直驱式永磁发电机，全功率变流器将其电枢绕组和电网连接起来，当电网的电压急速下降后也不会干扰发电机的定子端的电压变化，能够完成低电压穿越运行。而且该系统无齿轮箱，降低了运行时产生的噪音和机器维护的成本，可以实现自身励磁，提高发电的效率。
混合式变速恒频风力发电系统是直驱式和双馈式控制技术的融合，其风力发电机是多极的，含有低变速比的齿轮箱，与直驱设计本质相同，但是其转矩比较小速度比较快。利用这种风力发电系统能够省略风力发电机与变频器之间的滑环装置，大大提升了电能的质量和机组的可靠性[1]。
2 风力发电电气控制技术目前应用状况
2.1矢量控制
矢量控制技术可以对风能实现跟踪的最大化，使无功功率和有功功率进行独立的解耦调节，这种控制技术对风力发电机组的运行具有十分重要的价值。在矢量控制技术的控制下，可以使风力发电系统的抗干扰能力和适用能力得到加强，在短时间内达到稳定控制的水平。目前，矢量控制技术在双馈型风力机组中使用的较为广泛，但是该控制技术会限制无功补偿量的高低。
2.2直接转矩控制
早在20世纪80年代的时候，直接转矩控制技术就已经在异步发电机中实现了首次的应用。随着其应用范围和领域不断扩大，目前可以在不同类型的发电机中进行使用。例如，对永磁同步电机进行直接转矩控制，具有系统鲁棒性能好、控制结构比较简单、效率高以及对电机参数不敏感等诸多的优点。与此同时，这样控制技术也存在开关评率的稳定性能不佳的缺陷，会导致磁链和转矩的控制上的脉动较明显，这样局限性影响了其在高精度的场合的运用。
2.3直接功率控制
直接功率控制技术多被应用于控制双馈风电变流器控制策略当中。该控制技术具有对参数依赖性低且实施便捷的优势，可以实现对瞬时电流的控制效果，但是传统的直接功率控制具有无功功率和有功功率失控的局限性[2]。
3 风力发电电气控制技术发展遇到的典型问题解析
3.1低电压穿越
低电压穿越可以解释为当电网发生故障时，利用电力电子技术来确保风电场不脱网，并且向电网提无功功率，支持电网电压恢复。当电网电压突然降低的时候，风电机组会采取被动式解列运行的方式，但如果电网发生故障，这样的运行方式就会干扰电网运行的安全性，严重的时候会引起风电系统解列。针对这一情况，国家制定了低电压运行的标准，并且相关部门加紧调整电流器的控制方案或采取添加储能设备的措施。当风力发电机组端电压降低到一定值的情况下，机组不脱离电网而继续维持运行，还可为系统提供一定无功以帮助系统恢复电压。
3.2高电压穿越
在风电并网运行的过程中，当电力系统事故或扰动引起并网电压突升时，发电场站可能导致大面积的风机脱网事故。而目前风能资源与需求在地域上呈逆向关系，陆地风能主要集中在“三北”地区，而能源需求集中在中部地区，所以国家加快特高压输电线路的建设，大规模连片的风电项目都接入特高压直流电网。而高压换流器具有典型的非线性特征，在运行中可以等效为一个谐波电源，其产生的谐波会在直流系统以及交流系统形成谐波电压以及谐波电流，在某些特定频率的分量作用下，设备可能产生并联或串联谐振。如果风电机组没有高电压穿越功能，特高压线路上的任何扰动，可能导致大面积的风机脱网事故。针对以前不具备高电压穿越能力的风机，电网已要求进行整改。
4 风力发电电气控制技术面临的挑战和发展趋势
很多人为的因素或是环境的因素都可能会干扰风力发电系统的正常运行。例如，风力发电电气控制系统普遍在高水平面上进行建设，这种建设环境天气状况比较复杂，会对风力发电电气控制系统的组分造成损坏，干扰了风力发电系统的稳定运行，可靠性下降。此外，在风力发电电气控制系统运行时，如果工作人员的操作不规范或者专业素养较差，就会对风力发电电气控制系统的安全性造成一定程度的影响，导致故障的产生。此外，因为风能的不确定性较大，会导致发电机的输出功率受到影响，电力系统变得不稳定，相关人员应该加强对功率控制方案的研究。
风力发电电气控制技术具有巨大的发展潜力，控制系统的运行将会实现更加智能化的控制，逐渐形成以双馈为主导，直驱为引领的发展模式，有效降低成本，提高控制性能，增强运行的可靠性并增强低电压穿越能力，而且直驱风机及半直驱风机将成为引领力量。其次，兆瓦级的大容量机组将逐渐替代小容量机组，进一步增强发电效率，促进风电产业获得足够的经济利润。与此同时，因为风能的波动复杂，将促进定桨距逐步转变为变桨距，提高风能的利用效率并在电网出现故障的时候实现紧急停机，便于低电压穿越策略的实施 [3]。
结语：综上所述，把风力发电电气控制技术应用到风力发电的实践过程中去，不断的创新和改进风力发电电气控制技术，提高发电的稳定性和电能的转化效率。对于该技术在应用过程中存在的问题，需要相关人员进行合理的改进，发挥它的技术价值，为人们制造经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]周利鹏.风力发电电气控制技术发展探讨[J].科技创新导报,2018,15(23):2-3.
[2]李武东.谈风力发电电气控制技术及应用实践[J].科技与创新,2017(18):147+150-151.
[3]李晶. 变速恒频双馈风电机组动态模型及并网控制策略的研究[D].华北电力大学（河北）,2005.