浅谈风力发电机原理及风力发电技术

刘江

西安中车永电捷力风能有限公司 陕西 西安710018

摘要：风能作为自然资源，是新能源的重要组成内容，借助于风能进行发电是当前新能源发电的主导方法，而且该发电方法越来越受到世界各国的关注。基于此，本文将对风力发电机原理及风力发电技术进行分析。

关键词：风力发电机；发电原理；风力发电技术

1 风力发电的技术原理

风能是一种清洁无公害的能源，在当前社会发展过程中，合理应用风力发电技术，不仅能够实现风力资源的有效利用，还能满足人们生活、生产对电能的需要。风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。近年来，随着人们环保节能意识的不断深入，为了进一步提升风能的利用率，风力发电系统越发复杂，当前的风力发电机系统中除了风轮系统、发电机外，还有齿轮箱、控制系统、偏航系统和塔架等部分。具体来说，首先，在风力发电系统运转过程中，齿轮箱中齿轮的相互作用可以有效提升发电机的转速，在提升发电机工作效率的同时，保证了电力供应的稳定性。其次，在风电系统运转过程中，控制系统是保证系统整体稳定工作的关键系统，不仅能够对风电系统中的各个模块进行有效的管控，对风电系统并网、脱网状态进行控制，保证风力发电机能够保持电压频率的稳定性，还能对系统整体工作状态加以监控，一旦发现系统运转过程中出现问题，则及时发出警报信号，便于工作人员对故障进行排除。再次，偏航系统在实际应用过程中，能够依据风电系统安装位置风力变化情况，对风轮的扫掠面进行控制，通过保证扫掠面与风向始终保持垂直状态的方式，进一步提升风力资源的利用效率。最后，在风力发电系统停止工作时，为切实降低风力发电系统停机的难度，可以通过合理应用伺服控制技术，调整桨距角改变风轮转速，从而实现风电发动机的速度的管控，在保证系统能够稳定停止运转的同时，不会给后续发电系统的重启造成不利影响。

2 风力发电技术要点

2.1 变速风力发电技术

简单理解，这一技术就是改变原有发电机恒速运动，在风速发生变化时，风力发电机组的状态也会出现改变，这样就能够依照风速的大小实时调节发电系统运行中各类设备的运行状态，以此获取恒定的发电频率。如果遇到较大的风速，发电的效率和质量都会因功率问题受到影响，为了尽可能避免这一问题产生的影响，需要对风轮转速的有关指标进行调节控制。如果遇到较小的风速时，就需要尽可能多地获取风能，从而保证输出功率的稳定性。需要注意的是，由于地区的不同，风速大小以及变化规律方面都存在相应的差异，加强对电气控制技术的研究，会对风力发电效能的提升起到良好的帮助。在变速风力发电控制技术中，涉及到的电气控制技术类型主要有：交流励磁双馈型、永磁发电机类型、笼型异步发电机类型、磁场调制型及无刷双馈发电机类型等。这些控制技术最主要的就是提高风能的转化效率。另外，还能够独立调节输出功率和无功功率，变桨距的调节也更加便捷，不过在转速运行方面仍然具有较大的范围，可以使发电机组的运行功率质量得到有效提升。

2.2 并网技术与最大风能捕获技术

在风电技术发展过程中，并网型风力发电系统的应用效果主要由风电并网技术与发电机组控制技术的发展情况所决定，并网技术与最大风能捕获技术的深入研究，同样是推动未来风电发展的重要研究内容。具体来说，在风电并网的过程中，风电的反调峰特性增大了当前风险并网调峰工作的难度，同时，风电在供应室的间歇性与随机性也增大了电网调频工作的负担，尽管当前部分电网并网区域应用了低负荷时段弃风技术，但如何进一步提升风电机组电力资源供应的稳定性，仍是当前并网技术发展过程中的重点、难点之一。同时，为进一步提升风力资源的利用率，最大风能捕获技术同样受到了人们的广泛关注，现阶段，较为常用的最大风能捕获算法包括最佳叶尖速比法、功率反馈法和爬山法，尽管这些算法在实际应用过程中能够提升风电机组的工作效率，但受风速多变、需要设定风力电机最佳叶尖速比等问题的影响，上述算法的使用难度相对较大，无法大规模推广利用，因此，研究更为简便有效的最大风能捕获技术，成为了一项极为必要的工作。

2.3 低风速区的高塔架技术

面对当前一些风能资源较好的地区受并网的限制，需要“弃风”的情况，低风速区的高塔架技术已经成为当前我国风电技术研发的又一重点方向，并且这一技术的应用范围更为广阔，能够更好地满足当前人们对电力资源的需要。

2.4 主动失速发电技术

这一技术也可以叫做混合失速发电控制技术，只要是结合了定桨距发电控制技术和变桨距发电控制技术，这样在定桨距发电控制技术应用中的成本投入较高问题可以得到较好的解决。同时，也能够有效解决定桨距发电控制技术中风力发电频率问题。因此，这一技术具有较为突出的优势，集合了上述两种技术的优势，并且在一定程度上弥补了其中存在的不足。这一技术实际运行的原理主要是针对不同桨距角进行相应的调整，进而对风能的捕捉量和速度进行有效控制。

2.5 电子变流器技术

在当前一些规模较大的风力发电系统中会应用到电子变流器技术。通过电子变流器的应用，可以有效提高风能的转率，对转换后电力传送的效率及风力发电系统运行的质量提升具有极为重要的作用。在实际电子变流器应用过程中，由于该装置具有稳定的性能，技术更具可靠性，可以对风力发电系统中的无功功率进行有效控制和调整。特别是将电力电子变流器与PWM整流器联合进行应用，可以对控制系统最大功率进行有效控制，并通过应用矢量控制系统中的有功和无功功率，还能够解除两者之间的障碍，使无功功率与系统运行的要求相符，进一步保证有功功率传输量最大化目标的实现。通过调整电子变流器，还可以对有功和无功功率进行有效控制，达到对风电系统控制的目的，进一步保证风电系统运行的质量和安全。

2.6 无功补偿和谐波消除技术

无功补偿和谐波消除技术在新能源风力发电技术的应用中具有重要的作用，同时也是保证风力发电系统稳定运行的关键所在。应用无功功率补偿技术，可以有效提高供电效率，并对供电环境起到一定的改善。由于电压在流向感性元件过程中，当电压较高时会通过感性元件电流损伤到元件，利用无功功率补偿技术可以实现对高次谐波的有效控制。另外，在实际风机发电过程中，一些高次谐波会导致电能质量偏低问题的出现，因此应滤除高次谐波，并利用交变电流传感器等电力设施，消除掉高次谐波。也可以通过采用电容器组来对无功功率大小进行调整，以此来对谐波带来的负面影响进行消弱。

3 结束语

总而言之，我国风力资源较为丰富，风力发电技术的应用不仅可以有效提升我国风力资源的利用率，还能满足人们对电力供应的需要。在新时期的发展过程中，为了使电力供应工作能够更好地满足“绿水青山就是金山银山”的发展需要，合理应用风力发电技术，成为了推动我国电力行业及社会经济稳定发展的重要工作。

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