風力發電技術的發展綜述

李星耀

寧夏回族自治區電力設計院

風力發電技術的發展綜述

李星耀

寧夏回族自治區電力設計院

可再生能源發電技術，不僅是世界電力行業的主要發展和研究對象，同時也是實現電力行業可持續發展的主要途徑。在實際應用中需要針對不同的風力發電機的運行特性，選擇合適的控制方法對風機的運行狀態進行控制，達到最優的控制效果。此文闡述了風力發電技術的發展現狀及關鍵問題。

風力發電系統技術；可再生能源；發展

1 風力發電機控制系統介紹

控制系統的好壞直接關系到風力發電機的工作狀態、發電量的多少以及設備的安全。目前風力發電亟待研究解決兩個問題：發電效率和發電質量，而這兩個問題都和風電控制系統密切相關。對此國內外學者進行了大量的研究，取得了一定進展，現代控制技術和電力電子技術的發展，為風電控制系統的研究提供了技術基礎。

控制系統的組成：

風力發電控制系統的基本目標分為三個層次：保證風力發電機組安全可靠運行，獲取最大能量，提供良好的電力質量。控制系統組成主要包括各種傳感器、變距系統、運行主控制器、功率輸出單元、無功補償單元、并網控制單元、安全保護單元、通訊接口電路、監控單元。具體控制內容有：信號的數據采集、處理，變槳控制、轉速控制、自動最大功率點跟蹤控制、功率因數控制、偏航控制、自動解纜、并網和解列控制、停機制動控制、安全保護系統、就地監控、遠程監控。當然對于不同類型的風力發電機控制單元會不相同。系統結構示意圖如圖1所示。

針對系統結構，目前絕大多數風力發電機組的控制系統都采用集散型或稱分布式控制系統(DCS)工業控制計算機。采用分布式控制最大優點是許多控制功能模塊可以直接布置在控制對象附近，就地進行采集、控制、處理，避免了各類傳感器、信號線與主控制器之間的連接。同時DCS現場適應性強，便于控制程序現場調試及在機組運行時可隨時修改控制參數，并與其他功能模塊保持通信，發出各種控制指令。目前計算機技術突飛猛進，更多新的技術被應用到了DCS之中。PLC是一種針對順序邏輯控制發展起來的電子設備，目前功能上有較大提高，很多廠家也開始采用PLC構成控制系統。現場總線技術(FCS)在進入20世紀90年代中期以后發展也十分迅猛，以至于有些人已做出預測：基于現場總線的FCS將取代DCS成為控制系統的主角。

2 風力發電控制技術的發展

2.1 風力發電傳統控制方法

應用傳統控制方法對風力發電機的變槳系統、偏航系統進行控制，由于風力發電機系統，是大型的復雜的、變結構的系統，傳統控制方法不能滿足對風力發電機內部持續變化的電流環、電壓環、磁鏈的控制，從而引入智能控制方法。

圖1 系統結構示意圖

傳統PID控制結構簡單、工作性能可靠，對于風力發電這種不能得到精確數學模型的系統較為合適，還可有PI和PD控制器，利用比例、微分、積分計算控制量進行控制，可用于對風力發電機變槳系統進行控制。

2.2 智能控制方法

2.2.1 模糊控制算法控制。由于模糊控制算法的魯棒性強，可以使用模糊控制算法。模糊控制在不需要知道被控對象的模型下進行控制，可以對變槳系統的控制器進行改進，該方法有較好的的抗擾性、動態性能、收斂速度和靜態誤差。

2.2.2 模糊控制算法與PID算法相結合。為了使系統的性能更加穩定，可將模糊控制算法和PID算法相結合。一般在系統最壞的工作點設計PID控制器，能夠有效改善風力發電機變槳距控制效果。能夠較好地將轉速穩定在額定值附近。為了達到更好的控制效果，以PID變槳距控制器的缺點分析為基礎，創造性的提出模糊PID與模糊前饋結合而產生的新型變槳距控制方法。保證模糊PID控制器在不同風速下都能保持較好的控制結果，而模糊前饋控制器在額定風速以上的不同風速段，根據風速給出的不同前饋槳距角和風電機組的槳葉氣動特性，來提高控制系統響應速度，實現動態前饋補償。針對變槳距系統還可采用模糊PID－PID雙模控制，根據提前設置好的偏差閾值來選擇控制器。

2.2.3 神經網絡控制。人工神經網絡具有可任意逼近任何線性模型的非線性映射能力，可以根據所掌握的風速數據找出規律預測風速的變化，風力發電系統可進行在線學習，實現對風能的最大捕捉，并減小風力發電機的負載力矩。這項學習方法還有模式識別和支持向量機等。

2.2.4 風力發電自適應控制。在自適應控制的應用方面，對采用傳統模糊控制技術的風力發電機控制在轉速和電流控制方面的不足，提出風力發電自適應控制方法進行控制。增加自適應環節后，可以實現動靜態轉速控制和減小輸出電流脈動，進而增加了風力發電機的使用壽命。自適應控制通過李雅普諾夫穩定性分析給出控制規律，可以實現變槳系統的自適應控制，該方法的跟蹤性和伺服性很好。

3 風電技術應解決的問題

3.1 不斷加大風電技術的研究

針對于風能密度的地區范圍，可以采用功率調節的方式，從而更好地保證發電功率，使發電機組不受到損害；在調節的過程中，可以借助定槳距失速型風機，使其功率得到有效控制；針對于風力發電消納存在問題的地區，可以采用一定的儲能技術，不僅實現了在不同環境下的電能利用，同時也適當地增加了機組的容量，對此加強此方面的研究，提出更合理的儲能方案是非常有必要的。

3.2 完善和落實相關能源政策

可再生資源與不可再生資源，對于我們國家乃至全世界來說，都是非常寶貴的資源，是推動國家發展的重要物質支持。對此，可再生能源相關保護政策的完善和實施是非常重要的，同時也只有能源政策的落實，才能加強對于能源開發和利用的保障。

[1]杭俊，張建忠，程明，王偉，張明.風力發電系統狀態監測和故障診斷技術綜述(英文)[J].電工技術學報，2013，04：261-271.

[3]李華偉.風力發電系統的混雜控制技術研究[D].鄭州大學，2014.