風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)探析

譚俊

（西門(mén)子風(fēng)力發(fā)電葉片（上海）有限公司上海分公司，上海 200082）

隨著社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)各界對(duì)電能供應(yīng)的需求不斷增加，推動(dòng)著供電領(lǐng)域的快速發(fā)展。風(fēng)力作為一種重要的可再生清潔能源，利用風(fēng)能實(shí)現(xiàn)發(fā)電，對(duì)供電行業(yè)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的重要系統(tǒng)，而在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組當(dāng)中，控制系統(tǒng)屬于關(guān)鍵的組成部分，需要加強(qiáng)關(guān)注，采取科學(xué)的控制技術(shù)合理控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，能夠促使該機(jī)組發(fā)揮其最大功效，推進(jìn)風(fēng)能至電能的可靠轉(zhuǎn)化。

1 風(fēng)能的開(kāi)發(fā)和利用

以往人們通過(guò)犧牲能源換取經(jīng)濟(jì)發(fā)展，近年來(lái)，隨著社會(huì)的快速進(jìn)步，能源耗竭的問(wèn)題日益突出，環(huán)境污染問(wèn)題也日漸嚴(yán)重。為了維持人類(lèi)生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，需要加強(qiáng)關(guān)注并切實(shí)解決環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題。煤炭、石油等常規(guī)能源由于其不可再生的性質(zhì)和污染環(huán)境的特點(diǎn)，需要盡量節(jié)約和減少使用，積極開(kāi)發(fā)并利用風(fēng)能等可再生清潔能源，這不僅有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，還有利于推進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

我國(guó)擁有豐富的風(fēng)力資源，相比常規(guī)的能源發(fā)電，利用風(fēng)力發(fā)電能夠大大降低生產(chǎn)成本，并保護(hù)生態(tài)環(huán)境。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是對(duì)風(fēng)能實(shí)現(xiàn)利用的重要系統(tǒng)，在科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展過(guò)程中，該系統(tǒng)的控制技術(shù)也得到了全面進(jìn)步，并更趨向于高可靠性、智能化以及輕盈化的方向發(fā)展。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電，不僅投資靈活，占地面積小，并且施工周期相對(duì)較短，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益得到雙發(fā)展。國(guó)家對(duì)風(fēng)力開(kāi)發(fā)企業(yè)也給予了重要的政策支持，近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，進(jìn)一步推進(jìn)了對(duì)風(fēng)能的有效開(kāi)發(fā)和利用，也促使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)不斷進(jìn)步。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分類(lèi)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的類(lèi)別劃分，主要的依據(jù)是不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組其自身特點(diǎn)以及相應(yīng)的應(yīng)用效果。結(jié)合不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其應(yīng)用的地域差異，將其主要分為陸上風(fēng)力發(fā)電和海上風(fēng)力發(fā)電兩種類(lèi)型，其中，海上風(fēng)力發(fā)電屬于近幾年較為流行并發(fā)展較快的機(jī)組類(lèi)別，也是目前主要的發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)合不同發(fā)電機(jī)其自身容量的大小，將其分為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其中大型發(fā)電機(jī)組主要應(yīng)用于海上發(fā)電，效果較為突出，也成為目前研發(fā)發(fā)電機(jī)組的重點(diǎn)對(duì)象。結(jié)合不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的類(lèi)型，將其分為直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其中直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組沒(méi)有齒輪增速箱，其電機(jī)通常使用的是同步發(fā)電機(jī)，而雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)有齒輪增速箱，其電機(jī)通常使用的是異步發(fā)電機(jī)。結(jié)合不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳距的特性，將其分為變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其中變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，控制方式也存在較大的復(fù)雜性，不過(guò)其在利用過(guò)程中，對(duì)風(fēng)能的利用效率更高，并且能夠?qū)敵龉β蕦?shí)現(xiàn)全面優(yōu)化，是風(fēng)電控制的重要發(fā)展方向。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)分析

3.1 H∞魯棒控制

Hardy空間是H∞魯棒控制的理論基礎(chǔ)，借助個(gè)別性能指標(biāo)相應(yīng)無(wú)窮范數(shù)的優(yōu)化，以獲取擁有魯邦性能的控制器。H∞魯棒控制能夠?qū)Χ嘧兞康膯?wèn)題實(shí)現(xiàn)良好的處理，并在其較為嚴(yán)格且精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，對(duì)建模初期存在的相應(yīng)誤差進(jìn)行解決。在風(fēng)能激勵(lì)的時(shí)候，H∞相應(yīng)范數(shù)為最小，此時(shí)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最穩(wěn)定的輸出，并保障系統(tǒng)依據(jù)既定目標(biāo)軌跡進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行，H ∞魯棒控制屬于控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一項(xiàng)重要技術(shù)。當(dāng)風(fēng)向以及風(fēng)速處于不穩(wěn)定且變化頻繁的情況下，可以通過(guò)H∞魯棒控制的相關(guān)原理來(lái)控制變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，促使系統(tǒng)快速追蹤風(fēng)能，確保可以提高風(fēng)能的利用率，對(duì)風(fēng)能的捕獲率也更高。

3.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于一個(gè)非線(xiàn)性系統(tǒng)，在運(yùn)行過(guò)程中具有復(fù)雜多變的特性，同時(shí)還會(huì)在運(yùn)行當(dāng)中遇到負(fù)載、風(fēng)向以及風(fēng)力等的變化，影響自身運(yùn)行，所以，難以通過(guò)數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確來(lái)建立控制該機(jī)組。而滑模變結(jié)構(gòu)控制屬于開(kāi)關(guān)型控制，具有不連續(xù)控制的特點(diǎn)，在將系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)先設(shè)定之后，當(dāng)相應(yīng)條件滿(mǎn)足了設(shè)定條件，系統(tǒng)只能在相應(yīng)的特定空間當(dāng)中進(jìn)行滑模運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)上相對(duì)較為簡(jiǎn)單，并且相應(yīng)的速度很快，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生的變化也不會(huì)過(guò)于敏感，還具有較強(qiáng)的魯棒性，可操作性非常強(qiáng)，等等優(yōu)點(diǎn)都將保障系統(tǒng)能夠在參數(shù)處于不確定的狀態(tài)當(dāng)中可以穩(wěn)定運(yùn)行，并能夠?qū)︼L(fēng)力系統(tǒng)在相應(yīng)的最大功率限制上實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足，能夠有效控地制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

3.3 矢量控制

通過(guò)矢量控制，能夠?qū)︼L(fēng)能進(jìn)行最大化的跟蹤，同時(shí)還可促使無(wú)功功率和有功功率兩者獨(dú)立解耦調(diào)節(jié)，該控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和適用能力，還可在較短時(shí)間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。雙饋電機(jī)相應(yīng)控制系統(tǒng)當(dāng)中對(duì)矢量控制的應(yīng)用較為普遍，不過(guò)因?yàn)檗D(zhuǎn)子電流勵(lì)磁分量相應(yīng)多少會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組自身的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，所以會(huì)一定程度的限制無(wú)功補(bǔ)償量的大小。

3.4 最優(yōu)控制

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本上都是處于非線(xiàn)性、干擾較大并且風(fēng)速變量具有較大不確定性的環(huán)境當(dāng)中，不能通過(guò)精確的數(shù)學(xué)控制來(lái)控制機(jī)組，但是可以利用最優(yōu)系統(tǒng)控制對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。該控制技術(shù)能夠通過(guò)線(xiàn)性化模型的相關(guān)設(shè)計(jì)，對(duì)周?chē)ぷ鼽c(diǎn)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確尋找，同時(shí)在大范圍下通過(guò)反饋實(shí)現(xiàn)精確解耦線(xiàn)性化，以此最大程度地控制和捕捉風(fēng)力和風(fēng)能。針對(duì)電功率波動(dòng)較小和有功功率、無(wú)功功率的輸出相應(yīng)要求矛盾，能夠有效的通過(guò)最優(yōu)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)折中解決，該系統(tǒng)還可有效抑制由于線(xiàn)路故障導(dǎo)致的相應(yīng)電壓的擾動(dòng)。

3.5 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論主要是以生物以及人類(lèi)相應(yīng)的學(xué)習(xí)功能、判斷功能以及適用功能等為基礎(chǔ)進(jìn)行研究的理論，該理論的自組織性和自適應(yīng)性都比較強(qiáng)，能夠?qū)ψ兓瘒?yán)重的不確定風(fēng)力進(jìn)行良好的適應(yīng)和準(zhǔn)確捕捉，能有效推進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向高智能化方向發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是智能控制技術(shù)中的一種重要技術(shù)。風(fēng)速特定、預(yù)測(cè)地點(diǎn)以及預(yù)測(cè)周期都直接影響風(fēng)速預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，基于此，可以通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)風(fēng)速進(jìn)行合理預(yù)測(cè)，也就是通過(guò)時(shí)間序列模型實(shí)現(xiàn)風(fēng)速輸入變量的確定，在對(duì)風(fēng)速變量進(jìn)行采集之后，可以通過(guò)回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)有效預(yù)測(cè)。針對(duì)非線(xiàn)性系統(tǒng)，非常適合使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且在利用過(guò)程中不需要進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的精確建立，只需要利用其強(qiáng)大的控制能力和自適應(yīng)力，即可轉(zhuǎn)化電能質(zhì)量，該系統(tǒng)能夠在風(fēng)向與風(fēng)速具有較大不穩(wěn)定性和不確定性的環(huán)境當(dāng)中實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的運(yùn)行。

3.6 模糊控制

在多種智能控制方法當(dāng)中，模糊控制屬于典型的智能控制法，該方法以模糊推理和語(yǔ)言規(guī)則為基礎(chǔ)，是一種高級(jí)控制策略，非線(xiàn)性因素不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生直接影響，魯棒性較強(qiáng)。對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行模糊控制，有利于促使風(fēng)能利用率的大大提高，并跟蹤最大功率，還具有變速恒頻的特點(diǎn)。模糊控制理論由于自身優(yōu)越的特點(diǎn)突出，并在發(fā)展當(dāng)中有效結(jié)合了仿人智能技術(shù)、人工智能技術(shù)以及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，全面推動(dòng)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)的飛速發(fā)展。比如將模糊控制技術(shù)應(yīng)用到變槳距并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組當(dāng)中，能夠有效對(duì)控制系統(tǒng)相應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性實(shí)現(xiàn)全面改善，同時(shí)還對(duì)調(diào)節(jié)葉尖速比、風(fēng)輪槳距角以及風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)有效控制，促使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)恒定頻率和恒功率輸出，相比PID控制器，模糊控制對(duì)抖振實(shí)現(xiàn)了有效控制，不僅減少抖振，還將促使系統(tǒng)的質(zhì)量和運(yùn)行效率更高。

4 結(jié)語(yǔ)

由于以往電力企業(yè)對(duì)不可再生能源過(guò)多的利用，造成了重要的能源消耗和環(huán)境污染，影響人類(lèi)的長(zhǎng)期發(fā)展，因此，通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能這一可再生清潔能源的有效開(kāi)發(fā)和利用，對(duì)保持社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的重要系統(tǒng)，利用各種現(xiàn)代技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的高效控制，有助于提升風(fēng)能的捕捉率和利用率，所以，為了進(jìn)一步加大利用風(fēng)能，需要積極利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，進(jìn)一步創(chuàng)新風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)。