风力发电技术及电功率控制策略探析

曹云雷

（大唐包头亚能电力有限公司，内蒙古 包头 014200）

摘要：随着能源结构的转型和可再生能源的快速发展，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，在全球范围内得到了广泛应用。本文首先介绍了风力发电的基本原理和风力发电机组的主要类型及特点，随后详细分析了风力发电机组的关键技术，在此基础上重点探讨了风力发电中常见的电功率控制策略，旨在为风力发电系统的优化设计和运行提供理论支持和实践指导。

关键词：风力发电；电功率控制；控制策略

引言：随着全球能源危机和环境问题的日益严峻，可再生能源的开发利用已成为当今世界能源发展的重要方向。风力发电作为一种绿色、无污染的能源形式，具有资源丰富、可再生、不产生温室气体排放等优点，因此备受关注。风力发电技术的发展对于缓解能源压力、促进可持续发展具有重要意义。

一、风力发电的基本原理

风力发电是一种利用风能发电的途径，其基本原理是将大自然中蕴含的风的动能，通过专门设计的风轮叶片系统加以转化和利用。风轮是风力发电机组的核心部件，由若干根设计独特的叶片组成，当风吹过时，这些外形流线型的叶片能够捕获风的动能，使叶片开始旋转。风轮叶片的旋转带动了与之相连的发电机转子旋转，从而将风的动能转化为机械能。发电机的定子线圈在转子磁场的作用下，依据电磁感应定律产生了交变电流，即将机械能转化为电能，这就是风力发电实现的基本过程。可以看出，风轮叶片的优化设计对捕获风能至关重要，其翼型、安装角度以及数量等参数都需要精心计算，这是提高风电机组发电效率的关键所在。

二、风力发电机组的主要类型及特点

根据风轮轴的安装位置不同，风力发电机组可分为两大主要类型，即水平轴风力机和垂直轴风力机。水平轴风力机目前是应用最为广泛的一种，它的风轮叶片是围绕一个与地面平行的水平轴旋转，能够最大限度地捕捉风能，具有相当高的风能利用系数，且发电输出功率相对稳定，这种风力机通常采用长翼展直驱或增速增扭两种传动方式，整机结构已非常成熟，并被大规模应用于陆上和海上风电场。不过，水平轴风力机体型硕大、成本较高，对基础设施要求严格，且需要专门的塔架支撑和对风位置，存在一定的局限性。另一种主要类型垂直轴风力机，顾名思义就是风轮叶片围绕垂直于地面的轴旋转，具有独特的结构优势。它不需要架设高耸的支撑塔架，而且无需对风位姿装置，可以从任何方向捕捉风能，因此制造和维护成本都较低，对地理环境的要求相对宽松。但垂直轴风力机风能利用效率普遍不如水平轴风力机，发电功率也相对较小且波动较大，发展相对滞后，尚未大规模商业化应用。两种不同类型的风力机各有特色，根据实际应用场景选择最为合适的那一种，才能真正发挥风力发电的最大效益。

三、风力发电机组的关键技术

1.风轮叶片设计与优化

风轮叶片作为风力发电机组的"心脏"部件，其设计水平直接决定了机组对风能的捕捉、转化及利用效率。优化风轮叶片的空气动力学外形是整个设计过程中的核心任务。而要实现这一目标，必须综合运用多门学科的理论知识，如流体力学、空气动力学、结构力学、材料力学、优化算法等。设计师需要基于空气动力学理论，对叶片的翼型外形进行优化计算，以减小流动阻力和涡流损失，提高升力系数，从而达到最大限度捕捉风能的目的。与此同时，由于风轮叶片长度可达数十米，结构强度设计也极为关键，必须保证叶片在各种恶劣工况下的抗疲劳、抗扭曲、防震性能。因此，采用复合材料等新型高强轻质材料，通过优化叶根至叶尖各断面的材料分布和结构布局，可以有效提升叶片的整体强度和刚度。

2.发电机与变流器技术

发电机和变流器是风电机组的两大关键部件，前者负责将风轮旋转产生的机械能转化为电能；后者则将发电机输出的交流电转换为并网所需的特定电压等级和频率。高效率、低成本、高可靠性的发电机和变流器技术是提升整机性能、降低运营成本的重中之重。在发电机方面，永磁直驱式发电机和双馈式异步发电机凭借诸多优势正逐步取代传统发电机在大型风电机组中的应用。永磁直驱式发电机结构紧凑、效率高且无需增速箱，但制造成本较高。而双馈异步发电机则具有变速恒频的特点，能够最大限度地捕捉风能，但控制系统相对复杂。设计师需要根据实际工况，权衡机组投资回报率，选择最佳的发电机方案。与此同时，变流器技术的发展也为风电并网带来革命性的变革。以前使用的是无源无控制的变流器，现已被主动式功率变流器所取代，可以主动控制发电机与电网的功率交换过程，消除谐波电流，提高电能质量。高压大功率、高效率和高可靠性正日益成为变流器设计的发展方向。

3.塔筒与基础结构

塔筒和基础结构是风力发电机组的重要支撑系统，对于确保机组整体安全稳定、提高发电效率至关重要。由于风轮叶片和发电机的庞大体积和重量，塔筒的主要作用就是将这些部件抬高到一定高度，以捕捉到更强劲、更均匀的风能资源。但是，单塔结构在承重能力和高度方面均受到一定限制。因此在大型风电场，人们逐渐采用由混凝土或钢筋混凝土制成的筒式或索塔结构，高度可达上百米。尽管造价较高，但极大提升了风轮的捕风效率，从而增加了发电量，提高了投资回报率。塔筒设计还需要充分考虑所在地区的具体地理环境。在平原地区，基础结构的重点是防渗漏；而在沿海等地区，则要注重抗风浪冲击、抗腐蚀能力。除此之外，减小塔筒造价、简化运输和安装流程、降低施工难度等，也是未来塔筒设计需要持续优化和创新的方向。例如，采用可拆装式钢结构或预制混凝土可显著降低现场施工量；选用新型高强轻质材料可减轻自重负担等。

4.风能资源评估与选址

风能资源评估和风电场选址是风电项目前期工作中最为关键的一个环节，也是整个风电开发的基础。由于风能是间歇性和不确定性的可再生能源，要科学合理开发利用就必须对目标区域的风能资源分布状况进行全面、系统的评估，这项工作需要专业人员长期坚持在现场进行一系列测量和分析。主要评估内容包括：平均风速、风向分布、年风能密度、风切变率、湍流特性、极端恶劣天气概率等大量风能参数，并结合当地地形、地貌、周边障碍物等因素对风场实际可利用程度进行综合评价。风能资源评估的手段目前主要是通过气象塔和遥感仪设备开展测风观测，记录长期的风速、风向等数据，并借助数值模拟和统计方法分析处理数据、获得风场特性。遥感测风技术如激光雷达测风、声学测风等具有测量范围远、灵活性强的优势，是未来发展趋势。除了测量分析外，风能评估还需要结合地形数据开展计算机模拟，预测风场流场，从而实现对风电场的合理选址和整体布局优化设计。

四、风力发电常见的电功率控制策略

1.最大功率点跟踪控制

最大功率点跟踪控制策略的核心目标是实现风能的最大化利用，确保风力发电机组在任何风速状态下都能以最优的效率发挥其发电能力。实现这一策略的关键在于精确把握风轮转速与风速之间的关系，并根据这一规律调整风轮叶片的桨距角或改变发电机的电磁转矩，使风轮的实际运行点始终位于最佳工作曲线上。当风速较低时，风轮转速较慢，此时需要选择较小的桨距角或较小的电磁转矩，以提高风能与机械能的转化效率；而当风速增大时，风轮转速随之升高，则需要调大桨距角或增大电磁转矩，从而限制风轮的实际转速，防止过载运行。通过这种动态调节，可以使风轮叶片始终保持最佳的迎风角度，确保在不同风速下，风能被充分吸收并高效地转化为机械能和电能。

2.恒功率控制

恒功率控制策略的目的在于确保风力发电机组在高风速工况下的安全稳定运行，避免出现动态超负荷等问题。当风速超过某一临界值时，如继续采用最大功率点跟踪控制策略，必然会导致发电机的输出功率持续上升，这不仅会对机组的机械结构造成冲击，还可能给电网带来潜在威胁。为此，当检测到风速已高于设定阈值后，就要启动恒功率控制策略，主动限制机组的输出功率不超过其额定值。控制系统会实时监测风轮的转速，并将其与理想最佳转速进行对比，一旦发现实际转速超过理论值，就通过改变叶片的桨距角或增大发电机的电磁转矩等措施，迫使风轮转速降低，从而压制输出功率的持续增长。在功率控制过程中，系统还会动态调整控制参数，使输出功率保持在额定值左右合理波动，避免功率锯齿波动的出现。

3.变功率控制

变功率控制策略旨在根据电网的实际需求和自身的可利用风能资源状况，实现风力发电机组输出功率的灵活、优化调整。具体来说，该策略需要风电场与电网调度指挥系统进行实时通信和联动，电网调度系统会根据电网的负荷水平和风电场的发电能力，下达相应的功率调节指令。一旦收到调节指令，风电场控制系统就会对每台风力发电机组重新设置功率输出目标值。当需要增加风电功率时，就将机组的输出功率设置在最大功率控制点以上，让其超额发电；当需要削减风电时，则将机组的输出功率限制在最大功率控制点以下，减小其发电功率。通过这种灵活调节，可以满足电网对风力发电功率的实时调节需求，平抑风电的波动性，实现风电与火电等传统电源的协调发电。另一方面，变功率控制还可以结合风电场的实时运行状况，将有限的风能资源分配到发电效率较高的风力机组，从而优化整个风电场的发电效率。

4.先进电功率控制策略

随着人工智能和大数据技术的不断发展，一些先进的电功率控制策略也逐渐被应用到风力发电领域。其中，基于机器学习的预测控制是最具代表性和前景的智能控制方法。该策略的核心在于通过对历史大数据的深度学习，建立准确的风电场运行模型，并结合实时监测数据，对未来一段时间内的风能状况和发电功率进行准确预测，从而为功率控制提供重要决策依据。例如，利用神经网络和遗传算法相结合的混合智能技术，可以实现对风电场输出功率和风功率密度的精准预测，让机组的运行点能自适应地趋近最佳状态。此外，模糊逻辑控制也是一种具有广阔应用前景的智能化控制方式，它通过将复杂的控制规则模糊化、人工智能化，能够实现对风电机组各种非线性和不确定因素的精细控制。

五、结束语

风力发电技术的不断进步和电功率控制策略的不断完善，使得风力发电成为了清洁、可持续的能源解决方案。未来，随着科技的不断发展和创新，风力发电技术将会进一步提升，为人类提供更加可靠、高效的清洁能源。

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作者简介：曹云雷（1993.02-），男，汉，内蒙古赤峰，本科，学士，助理工程师，主要研究方向：风机发电。