探究風(fēng)力發(fā)電中的電力電子技術(shù)和控制技術(shù)

李先法

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 432000）

探究風(fēng)力發(fā)電中的電力電子技術(shù)和控制技術(shù)

李先法

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 432000）

在能源危機與供電壓力的考驗下，風(fēng)力發(fā)電以其優(yōu)越的條件而受到社會的廣泛關(guān)注。盡管我國風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)建設(shè)規(guī)模已達3083萬kW，但其在風(fēng)機控制、輸電和并網(wǎng)等方面仍存在一些亟待解決的問題。在本文，筆者主要討論電力電氣技術(shù)與控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用，以期促進風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的推廣應(yīng)用。

風(fēng)力發(fā)電；電力電氣技術(shù)；控制技術(shù)

引言

數(shù)據(jù)顯示，全國2014年的發(fā)電總量為5.46萬億kW，其中風(fēng)力發(fā)電量為1.534億kW，同比增長9.49%，占全國發(fā)電總量的2.78%，可見其發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｃ鎸@一發(fā)展局勢，行業(yè)越來越重視對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，以解決其中存在的固有問題及滿足其在未來的發(fā)展需要。在本案，筆者分別介紹電力電氣技術(shù)與控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用。

1 電力電子技術(shù)

在IGBT、交直流變頻器和矩陣變換器等電力電子器件發(fā)展的推動下，電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中得到了廣泛的應(yīng)用，具體如下：

（1）儲能技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電的特征是風(fēng)速不穩(wěn)定及風(fēng)能無法直接存儲，而為了保證供電的穩(wěn)定性，則需重視對風(fēng)能儲存技術(shù)的研究。現(xiàn)階段，風(fēng)力發(fā)電主要采用蓄電池和超導(dǎo)線圈兩種儲能方式。另外，不間斷電源具有在輸入電源中斷時繼續(xù)供電的特征，這正好又與風(fēng)力發(fā)電的隨機性特征相適應(yīng)，因此備受關(guān)注。在風(fēng)力發(fā)電中，電力電子技術(shù)的應(yīng)用主要從不間斷電源結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)出來，即其采用了功率MOSFET、IGBT和脈寬調(diào)制技術(shù)等電力電子器件，從而提高了風(fēng)能儲存的可靠性和效率。

（2）輸電技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電的另一特征是需求充足的風(fēng)力資源，這對于偏遠的風(fēng)力發(fā)電站來講，將會在輸電技術(shù)上遭遇瓶頸。目前，風(fēng)力發(fā)電采用的輸電方式仍以交流輸送為主，但其存在諸多不足。因此，風(fēng)力發(fā)電輸電系統(tǒng)將會逐漸擴大對高壓直流輸電（或稱HVDC）技術(shù)的應(yīng)用，其具有環(huán)境適應(yīng)能力強、異步聯(lián)網(wǎng)、性價比高和結(jié)構(gòu)優(yōu)越等優(yōu)點。在HVDC技術(shù)中，電力電子技術(shù)的應(yīng)用體現(xiàn)在可關(guān)斷器件選用IGBT、GTO等上。同時，PMW等技術(shù)的應(yīng)用也十分廣泛，并實現(xiàn)了更小的直流輸電投入和更高的質(zhì)量。另外，輕型直流輸電（或稱HVDCILight）在風(fēng)力發(fā)電輸電中的作用也十分明顯，即其支持電網(wǎng)與海上風(fēng)電場的交流網(wǎng)異步運行，并具有極強的抗故障能力。在未來的風(fēng)力發(fā)電輸電中，靈活交流輸電系統(tǒng)（或稱FACTS）將擁有廣闊的應(yīng)用前景，即其集現(xiàn)代控制技術(shù)與電力電子技術(shù)為一體，可快速控制功率潮流、相位角和系統(tǒng)參數(shù)等，從而實現(xiàn)了輸電能力的提高及系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（3）濾波與補償。風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)在供電網(wǎng)絡(luò)的尾端，因此閃變、電源波動和諧波污染等極易對配電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響。對此，可在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中使用以靜止無功補償器（或稱SVC）為主的補償和以有源電力濾波器（或稱APF）為主的濾波來消除配電網(wǎng)的影響因素。其中，SVC所用的高頻開關(guān)使得無功補償技術(shù)得到了質(zhì)的飛躍，其常在中高壓電力系統(tǒng)中用來實現(xiàn)動態(tài)無功補償。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，SVC的應(yīng)用可實現(xiàn)對負荷改變的快速跟蹤及無功補償，從而穩(wěn)定了風(fēng)力發(fā)電中的電壓及提升了電能質(zhì)量，另外，將SVC配在風(fēng)電機的側(cè)安，可增加阻尼及實現(xiàn)對電壓的動態(tài)控制，而將SVF配在電網(wǎng)中，可減少振蕩及提供無功支持。APF的工作原理如下：采用瞬時無功理論控制和可關(guān)斷型電力電子器件來對補償對象的電壓、電流進行檢測，同時由電力控制器向負荷供給畸變電流，以保證系統(tǒng)及時獲得所需的電源電流。實踐表明，APF具有響應(yīng)時間快、控制功能強、閃變補償率高及快速濾除高次諧波等優(yōu)點。

2 控制技術(shù)

風(fēng)能具有明顯的間歇性和隨機性，因此風(fēng)向與風(fēng)速變化及外界因素會對發(fā)電質(zhì)量產(chǎn)生較大干擾，同時風(fēng)力發(fā)電機組一般設(shè)在海島、山區(qū)、高原等風(fēng)能富足的偏遠地區(qū)，因此要求實現(xiàn)遠程監(jiān)控和無人值班運行。對此，應(yīng)在發(fā)電機組控制中引入控制技術(shù)，具體如下：

（1）最優(yōu)控制。最優(yōu)控制的目的是使動態(tài)系統(tǒng)獲得最優(yōu)的性能指標，其是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用最早的控制方法，目前已發(fā)展到較為成熟的水平。但風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有非線性特征及存在多種不確定性因素，而最優(yōu)控制器需以精確的數(shù)學(xué)模型為設(shè)計的基礎(chǔ)，則需將最優(yōu)控制與魯棒控制、模糊邏輯控制等結(jié)合成混合控制技術(shù)，方才能實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的有效控制及實現(xiàn)更高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率、更優(yōu)的電能品質(zhì)等。

（2）滑模控制。滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種間斷的開關(guān)型控制，其結(jié)構(gòu)具有不固定性，即可在動態(tài)過程按系統(tǒng)的實時狀態(tài)有計劃地發(fā)生改變，以使系統(tǒng)按預(yù)設(shè)的狀態(tài)軌跡運行。實踐表明，滑模控制具有設(shè)計簡單、系統(tǒng)無需在線識別、擾動不敏感、響應(yīng)快速及實現(xiàn)難度低等優(yōu)點。在滑模控制下，風(fēng)力發(fā)電機總在滑動面工作，從而增強了系統(tǒng)對負荷擾動與參數(shù)攝動的魯棒性。

（3）自適應(yīng)控制。自適應(yīng)控制的目的是在模型參數(shù)、階次和輸入信號中對無法預(yù)知的變化進行自動補償。自適應(yīng)控制系統(tǒng)要求不斷識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)及度量系統(tǒng)的性能指標，以便及時獲取系統(tǒng)實時狀態(tài)的改變，同時按一定的要求提出相應(yīng)的控制策略，從而實現(xiàn)對可調(diào)系統(tǒng)輸入信號或控制器參數(shù)的在線修改。

（4）模糊控制。模糊控制是一種基于模糊邏輯推理、模糊語言變量和模糊集合論的計算機數(shù)字控制或智能控制方法，其最為明顯的特征是以語言規(guī)則來表示專家的經(jīng)驗及知識，并用在實際控制中。模糊控制不受受控對象精確數(shù)學(xué)模型的影響，設(shè)計簡單，且具有較強的魯棒性和較好的動態(tài)性。得益于模糊控制的優(yōu)越性，近年來，基于模糊控制的智能控制方法在風(fēng)力發(fā)電機組控制中得到了廣泛的應(yīng)用。

（5）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模擬人的直觀性思維的控制方式及規(guī)模龐大的非線性動力學(xué)系統(tǒng)，即對以分布式方式存儲的信息進行并行協(xié)同處理，因此具有較強的魯棒性、容錯性、自學(xué)能力及非線性映射能力，即可任意逼近非線性模型。目前，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的典型模型包括BP網(wǎng)絡(luò)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)了全部或局部的模糊邏輯控制功能。

綜上，電力電子技術(shù)與控制技術(shù)的應(yīng)用是實現(xiàn)最大化開發(fā)利用風(fēng)力資源的技術(shù)條件，其在實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電成本最低化、效率最大化及質(zhì)量最優(yōu)化等方面發(fā)揮了重要的作用，理應(yīng)加以重視。

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2016-6-1