風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)

魏憲華

(內(nèi)蒙古北方龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

一 風(fēng)能的開發(fā)利用

能源問題與環(huán)境問題是當(dāng)今人類生存與發(fā)展所急需解決的首要問題，而常規(guī)能源如煤、石油、天然氣等污染環(huán)境，而且基于不可再生的前提下無法無限開采，因此，對可再生能源的開發(fā)與利用已受到世界各國政府的重視。近30年，西方國家在風(fēng)能開發(fā)利用也已取得了喜人的成就。

我國是世界上風(fēng)力資源較為豐富的國家之一，且風(fēng)力發(fā)電比常規(guī)能源發(fā)電的成本有一定的競爭優(yōu)勢。隨著科技的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)也在不斷更新，逐漸趨于智能化、輕盈化、高可靠性。風(fēng)力發(fā)電施工周期短、占地少、投資靈活，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，且隨著《可再生能源法》的實(shí)施和京都議定書協(xié)議的生效，國家加大了對可再生能源支持的力度，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到了連續(xù)快速發(fā)展，出現(xiàn)了風(fēng)電熱。今年年初國家對私人發(fā)電企業(yè)提出了政策支持與購買支持，越來越多的私人企業(yè)家也開始投入風(fēng)力發(fā)電的產(chǎn)業(yè)中去，更一步促進(jìn)了對風(fēng)能的開發(fā)利用與對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)的研究。

二 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制

對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo)主要包括兩方面，一是風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性，即能否在運(yùn)行范圍中按照預(yù)定軌跡運(yùn)行;二是控制風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行性能，即包括機(jī)組的發(fā)電效率、發(fā)電質(zhì)量、機(jī)械載荷等。主要的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型有如下幾種。

(1)失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括定槳距失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和變槳距失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組兩種。其中，定槳距失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是通過風(fēng)輪葉片失速來控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在大風(fēng)時(shí)的功率輸出，同時(shí)通過葉尖擾流器來實(shí)現(xiàn)極端情況下的安全停機(jī)問題。而變槳距失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與其不同，他是在低風(fēng)速時(shí)通過改變槳距角或保持一定的槳距角使其功率輸出增加，而在高風(fēng)速時(shí)通過改變?nèi)~片槳距角來控制功率輸出。

(2)雙饋?zhàn)兯俸泐l型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

雙饋?zhàn)兯俸泐l型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪葉片槳距角可以調(diào)節(jié)，同時(shí)采用可以變速的雙饋型發(fā)電機(jī)，并輸出恒頻恒壓電能。在低于額定風(fēng)速時(shí)，它通過改變轉(zhuǎn)速和葉片槳距角使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在最佳尖速比下運(yùn)行，輸出最大的功率，而在高風(fēng)速時(shí)通過改變?nèi)~片槳距角使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率輸出穩(wěn)定在額定功率。

(3)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是無齒輪箱的變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)輪軸直接與低速發(fā)電機(jī)連接。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要采用全功率變流器。

(4)混合型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

混合型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用單級(jí)齒輪箱和中速發(fā)電機(jī)，是直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和傳統(tǒng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的混合。混合型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也要采用全功率變流器。

三 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)代控制技術(shù)

1.滑模變結(jié)構(gòu)控制

風(fēng)電機(jī)組是一個(gè)復(fù)雜多變的非線性系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中還會(huì)遇到風(fēng)向變化、陣風(fēng)以及負(fù)載變化等情況，因此無法建立一個(gè)精確地?cái)?shù)學(xué)模型對其實(shí)現(xiàn)控制。滑模變結(jié)構(gòu)控制等同于一種不連續(xù)的開關(guān)型控制，當(dāng)滿足系統(tǒng)設(shè)定的匹配條件時(shí)，就只能在特定的空間中做滑模運(yùn)動(dòng)，具有對系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感、響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)、設(shè)計(jì)簡單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)良特點(diǎn)，保證了系統(tǒng)在參數(shù)不確定的情況下的穩(wěn)定，滿足了風(fēng)力系統(tǒng)最大功率限制的要求，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制提供了有效的方法。

滑模變結(jié)構(gòu)控制可以有效抑制外界的擾動(dòng)對雙饋?zhàn)兯俸泐l型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響，同時(shí)滿足了控制系統(tǒng)的魯棒性，但是對于系統(tǒng)的抖振卻成為控制系統(tǒng)的一大缺陷。近期有研究人員提出高階滑模變控制方法，即將不連續(xù)的控制量作用在高階微分上，不僅保留了傳統(tǒng)滑模的優(yōu)點(diǎn)，而且可以有效地消減系統(tǒng)的抖振現(xiàn)象，保持穩(wěn)定的輸出功率。

2.H∞魯棒控制

H∞魯棒控制理論是Hardy空間，通過某些性能指標(biāo)的無窮范數(shù)優(yōu)化而獲得具有魯棒性能的控制器的一種控制理論。H∞魯棒控制具有較好的處理多變量問題的能力與嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，可直接解決起初建模所產(chǎn)生的誤差，當(dāng)風(fēng)能激勵(lì)時(shí)，H∞的范數(shù)最小，控制系統(tǒng)的輸出最為穩(wěn)定，確保系統(tǒng)能夠按照既定的目標(biāo)軌跡運(yùn)行，因此將H∞魯棒控制應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是最佳的選擇。

在風(fēng)速、風(fēng)向不斷變化的情況下，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以采用H∞魯棒控制原理，提高系統(tǒng)對參數(shù)的不確定性與負(fù)載擾動(dòng)的魯棒性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對風(fēng)能的快速追蹤，提高風(fēng)能的利用率與捕獲率，由此也體現(xiàn)了魯棒控制的優(yōu)越性。

3.最優(yōu)控制

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要應(yīng)用于風(fēng)速變量不確定、干擾大、非線性的環(huán)境中，因此無法使用數(shù)學(xué)模型來達(dá)到精確的控制，而最優(yōu)系統(tǒng)的控制可以利用線性化的模型設(shè)計(jì)找出附近的工作點(diǎn)，并利用反饋實(shí)現(xiàn)大范圍下的精確解耦線性化，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能、風(fēng)力的最大捕捉與控制，即實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最優(yōu)控制。

最優(yōu)控制系統(tǒng)對于有功、無功率輸出以及電功率波動(dòng)小的要求矛盾具有理想的折中方式，同時(shí)對因線路故障引起的電壓擾動(dòng)具有很好的抑制作用。

4.矢量控制

矢量控制主要應(yīng)用于雙饋電機(jī)的控制系統(tǒng)中，又分為基于定子磁場定向的矢量控制、基于定子電壓的矢量控制及基于氣隙磁場定向的矢量控制等。

矢量控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大跟蹤，并可以實(shí)現(xiàn)有功功率與無功功率的獨(dú)立解耦調(diào)節(jié)，且適用能力強(qiáng)、抗干擾，并能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定控制。但由于轉(zhuǎn)自電流勵(lì)磁分量的多少影響發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性，因此回事無功補(bǔ)償量的大小受限制。

5.模糊控制

模糊控制是一種基于語言規(guī)則、模糊推理的高級(jí)控制策略，不依賴與被控制對象的精確數(shù)學(xué)模型，不受非線性因素的直接影響，具有較強(qiáng)的魯棒性。模糊控制是典型的智能控制方法，幫助提高風(fēng)能利用率、實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤和變速恒頻的特點(diǎn)。主要用于案例有：

(1)在變槳距并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用，不僅改善了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，而且控制了風(fēng)輪的槳距角、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)葉尖速比，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的恒功率輸出與恒定的頻率，比傳統(tǒng)的PID控制器更有效的減少了抖振，提高了系統(tǒng)的效率與質(zhì)量。

(2)在風(fēng)力混合動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)中提出了基于TS模糊模型系統(tǒng)，吧局部的動(dòng)態(tài)非線性系統(tǒng)有語言規(guī)則分割為低級(jí)系統(tǒng)，并提供最佳的分割時(shí)間序列，然后由線性二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)加強(qiáng)控制。相比傳統(tǒng)的控制方式，此方式更有效的減少的外界的擾動(dòng)，適用于風(fēng)速與負(fù)載不斷變化的環(huán)境中。

(3)在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中選用最優(yōu)的模糊控制邏輯，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度小于既定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度時(shí)，可以通過整流器和逆變器的控制改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其與風(fēng)速的變化一致，從而或得最大風(fēng)能利用率;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度大于既定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度時(shí)，模糊控制器通過改變槳距角來除去多余的風(fēng)能，從而限制風(fēng)輪的風(fēng)能捕獲率。這樣利用風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度來存儲(chǔ)、釋放能量的方式，不僅提高了功率傳輸鏈的柔性，同時(shí)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率更加平穩(wěn)。

模糊控制理論以自身優(yōu)越的特點(diǎn)，并結(jié)合人工智能技術(shù)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、仿人智能技術(shù)，因此在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制領(lǐng)域等到飛速的發(fā)展。

6.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制也屬于智能控制技術(shù)中的一種。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論是基于人類及生物的適用功能、學(xué)習(xí)功能、以及判斷功能等理論研究，具有較高的自適應(yīng)與自組織性，能夠捕捉與適應(yīng)風(fēng)力嚴(yán)重變化的不確定性，于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的高智能化相當(dāng)重要。

風(fēng)速預(yù)測與風(fēng)俗的特性、預(yù)測周期及預(yù)測地點(diǎn)息息相關(guān)，因此可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法研究短期風(fēng)速預(yù)測，即用時(shí)間序列模型來確定風(fēng)速輸入變量，利用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別對采集到的風(fēng)速變量進(jìn)行預(yù)測。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適用于非線性系統(tǒng)，且不需要依靠精確的數(shù)學(xué)模型，通過自身優(yōu)越的自適應(yīng)與控制能力實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的轉(zhuǎn)化，這種系統(tǒng)可以穩(wěn)定、高效的運(yùn)行在風(fēng)速不確定、風(fēng)向不穩(wěn)定的真實(shí)環(huán)境中。

在滑模變結(jié)構(gòu)控制探討到積分模糊滑模變控制變量，其優(yōu)先應(yīng)用于控制風(fēng)力不確定與干擾較大的環(huán)境中，克服了精確數(shù)學(xué)模型的束縛，以及不可分割的風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)。而近期相關(guān)研究人員提出，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)中的應(yīng)用具有很廣闊的前景，但只適用于風(fēng)速高于額定風(fēng)速的情況，而對于風(fēng)速低于額定風(fēng)速的情況未給予考慮。

四 總結(jié)

風(fēng)力發(fā)電對環(huán)境的保護(hù)、人類生活水平具有重大的影響，而風(fēng)力發(fā)電技術(shù)設(shè)計(jì)范圍較廣，主要涉獵了自動(dòng)控制、電力電子、生物學(xué)、空氣力學(xué)等高技術(shù)系統(tǒng)控制工程。隨著近幾年的技術(shù)發(fā)展，我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要控制技術(shù)仍存在著許多不穩(wěn)定與不足的地方，有待于我們繼續(xù)探究。根據(jù)目前的發(fā)展現(xiàn)狀，可以總結(jié)出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)主要研究方向總結(jié)如下：(1)風(fēng)電機(jī)組的工作環(huán)境逐漸由陸上風(fēng)電轉(zhuǎn)向海上風(fēng)電;(2)定槳距轉(zhuǎn)向變槳距、變速恒頻;(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕盈化、高可靠性、緊湊柔性;(4)風(fēng)電場遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng);(5)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用;(6)增加其它智能系統(tǒng)的應(yīng)用等。

總的來看，我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)水平還處于初步不穩(wěn)定階段。而隨著我國風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的不斷興起以及國家政策的支持，我國相關(guān)技術(shù)水平將逐步趨于完善，運(yùn)行管理水平也會(huì)不斷提高，必然會(huì)給我國風(fēng)力發(fā)電帶來繁榮的大好景象。

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