摘 要：利用風能來發電是新能源應用的一種主要形式。就風力發電過程中涉及的控制技術進行闡述，分析該技術存在的三個主要問題及發展趨勢，提出解決相關問題的關鍵技術。
關鍵詞：風力發電 機械控制 電路控制
中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973(2013)012-171-02
風能資源的開發利用這項技術，從最早的單機組運行到現在的全國連網並列運行，相應的發電機組的容量也從開始的數十千瓦級發展到海上風電場的兆瓦級;對機組的機械控制方式從定槳距失速控制到變槳距運行，電力電子控制從恆速恆頻發展到現在雙饋異步等形式的變速恆頻。風力發電技術在能源開發利用方面要想有更好的發展前景，和火力水利等傳統發電技術相抗衡，關鍵還是要解決控制問題。而控制問題區別於其它形式發電技術的關鍵還是風力發電輸入風能不穩定，而要求輸出電能頻率要求穩定的問題。解決問題主要可以從以下三個方面考慮：
(1)風力發電由於風速變化大，輸入風能不穩定，風力機轉速不好控制，風力發電機的輸入部分存在技術開發的空間，即從機械方面考慮改進措施，進行機械控制。
風力發電的機型按照併網時速度是否改變主要分為兩種，恆速恆頻型機組和變速恆頻型機組。不論哪種機型，目前風力發電機的葉輪都採用水平軸、三葉片，上風向佈置;額定轉速約27r/min。風能通過風力機轉換成為動能，風力機通過轉軸驅動後面聯動的風力發電機。從而實現風能-機械能-電能的轉換。
風力機的風輪一般採用三槳葉與輪轂剛性相連的結構，即定槳距風輪。主要是因為三葉片具有平衡和美觀等優良性能。為了實現對其很好的控制，一般在槳葉尖部1.5～2.5m處，設計成可調控的葉尖擾流器，葉尖擾流器起氣動剎車的作用。當風速過大時，葉尖擾流器釋放並旋轉形成阻尼板，影響風能在葉片上的受力分佈，改變風力機轉軸的轉速。特別當風力發電機組需要脱網停機時，它可以用作機械制動，效果特別明顯。
風力發電機組從定槳距發展到變槳距經歷了很長一段時間。早期的定槳距具有以下性能優點：採用軟併網技術、空氣動力剎車技術、偏航與自動解纜技術，使風力發電機組的併網問題和運行的安全性與可靠性大大提高。但是，由於葉片的安裝角在裝配時已經固定，其功率輸出是由槳葉自身的性能來調節的，因此，在允許的風速範圍內，定槳距風力發電機組的控制系統在運行過程中對由於風速變化引起輸出能量的變化是無能為力的。這就大大降低了風能利用效率，使得定槳距風力發電機組的推廣得到限制。
針對上述特點，大型風力發電機組，特別是兆瓦級機組(1000kw以上)的風力發電機組在設計，葉片採用變槳距連接，即葉片與輪轂中間採用可轉動的推力軸承或專門為變距機構設計的迴轉支撐聯接，變槳距風力發電機的葉片較薄，結構相對簡單，重量小很多，使得變槳距風力發電機風輪轉動慣量小，設計容易，易於製造大型風力發電機組。這樣風力機可根據風速的變化適時調整葉片連接角度，改善葉片周圍的流場分佈，即使風速不在額定風速的工況下，機組的輸出功率也可以保持在額定功率上。特別是在大風情況下，風力機可以使葉片順槳，保證整個機組風能利用大大提高。
現在，大型風力發電機組一般都採用變槳距的結構形式。這樣可以在起動時對轉速進行控制，併網後可對功率進行控制，使風力機的起動性能和功率輸出特性都有顯著和改善。機組的液壓系統作為變距系統執行機構的一部分，在整個閉環控制系統中佔有很大作用，大大提高了發電系統的運行自動化程度。
(2)風力機轉軸帶動風力發電機轉軸旋轉。風力機在風力的推動下旋轉，由於輸入風能時刻在改變，不穩定，而且風力機在風能向機械能轉換過程中存在轉換效率問題，再加上受到設計製造的侷限，風力機的轉速不能很高，但是傳統發電機轉速相對要求高，所以連接部分―風力發電機需要進行技術方面的改進。
由於風力發電機組體積龐大，重量達到幾噸到幾十噸，工作時具有很大的轉動慣量;另一方面，受到風力發電機制造技術和葉片材料的約束，風輪的轉速不能太高，一般運行在20～30r/min。機組容量越大，轉速越低。為了在此基礎上發電機得到更多的動能輸入，需要設置增速齒輪箱。齒輪佈置時採用沿軸線分佈的結構特點。但是由於增加了龐大的機械設備，齒輪間存在高速運行易磨損的問題，使風力發電機組發生故障的可能性提高了，現在直驅式風力發電機組(即機組連接部分不用增速齒輪箱)正在慢慢受到設計者的青睞。
風力發電機組中的發電機一般採用異步發電機，異步發電機的'轉速取決於電網的頻率，只能在同步轉速附近很小的範圍內變化。對於定槳距風力發電機組，一般還採用高滑差異步發電機和變速恆頻的雙饋異步發電機。這樣可以使機組的運行風況範圍大大增加即雖然風速遠離額定值，但是發電機的效率不會降低，風能利用係數得到提高的同時，發電機組的噪聲降低。發出電能的頻率也會符合電網要求。
現在，大型風電場一般都採用變速風力發電機組。它的關鍵技術在於採用了繞線型異步發電機(其轉速可以有很大的變化)或同步電機，再在輸出電能的電路中增加相應的變頻技術。同步發電機的併網一般有兩種方式：一種是準同期直接併網，這種方法在大型風力發電中極少採用;另一種是交-直-交併網。控制技術主要任務是對最佳葉尖速比的測量監控，使得機組在允許風速的任何情況下都可以獲得理想的功率輸出。
(3)如果直接用風力機帶動發電機轉子旋轉，即直驅式風力發電機，輸出電能頻率與電網頻率存在銜接問題，即從電力電子方面考慮改進措施，進行電路控制。
風力發電機組發出的電能頻率可以不為50HZ，但是經過變頻電路處理，使電能質量達到併網要求，穩定可靠得給電網提供電能。
控制技術和監測技術是風力發電系統的關鍵技術。因為風能不穩定，風速大小和方向隨着季節和氣候的改變而改變，風力資源豐富的地區通常都是海島或邊遠地區甚至海上，風力發電機組一般安裝在無人值守區，佔地面積較大。所以對輸入功率的限制、風輪的主動對風以及對運行過程中故障的檢測和維護必須實行自動化控制。分散佈置的風力發電機組通常要求遠程監控，自動控制應該實施運行人員設置的控制策略，保證機組安全可靠地運行。
風力發電技術未來的發展趨勢將是全實現整個電力系統的自動化，在風電場運行的風力發電機組全部可以實現中央集中控制和遠程控制。火力水利等發電系統的控制系統，主要的任務是監視電網、機組運行參數，對機組進行併網與脱網控制，以確保運行過程的安全性與可靠性，而風力發電系統則在此基礎上，還要增加一些傳感器檢測技術，時刻監測風速風向。根據對其變化趨勢的分析，做出判斷，提高系統的經濟性和穩定性。
總之，隨着技術的不斷改進，基於變槳距技術的各種變速風力發電機組已經在風電市場得到推廣。變速風力發電機組的優點在不斷顯示出來。變速風力發電機組的可以在低於額定風速時，跟蹤最佳功率曲線，使風力發電機組具有最高的風能轉換效率;在高於額定風速時，增加傳動系統的柔性，穩定輸出功率，向電網提供安全可靠經濟的電能。
參考文獻：
[1] 宋海輝.風力發電技術及工程[M].北京：中國水利水電出版社，2009.
[2] 王承熙，張源.風力發電[M].北京：中國電力出版社，2012.
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