風力發電及其控制技術研究

劉興漢

【摘 要】19世紀70年代以后，人類開始進入二次工業革命，人類社會也開始進入電氣時代，電力得到了廣泛應用，并取代了蒸汽成為工業生產和社會生活的主要能源，給人類社會的生產結構和生活方式帶來了巨大的改變。隨著發電技術的發展，風力發電技術在我國得到了普遍應用，而風力發電過程中風力發電系統控制技術是促進風力發電技術進一步發展的重要基礎和影響因素，但是，隨著我國社會經濟發展和人類生活對電力需求的增大，我國原有的風力發電系統控制技術已無法滿足現代風力發電技術的高要求，阻礙了風力發電技術的進一步發展。

【關鍵詞】風力發電;控制技術;措施

隨著國家社會經濟的不斷發展，我國的儲存能源也在不斷減少，環境也遭受到了一定程度的破壞，能源和環境問題日益突出，也越來越受到大家的關注，而風能作為我國的清潔能源之一，將其應用于發電技術中，遵循了我國綠色可持續發展理念，風力發電技術也成了我國最為常見的發電技術之一。目前，我國的風力發電主要有陸地風力發電和海上風力發電2類，給我國經濟社會發展和人類生活提供了所需的電力。但是，由于我國的風力發電系統控制技術還存在著較大缺陷，導致我國風力發電效率較低，極大地影響了我國風力發電技術的進一步發展。所以，為了提高我國的風力發電技術，必須要加強對風力發電系統控制技術的研究。

1風力發電的意義

第一，風力發電有利于解決我國能源短缺的問題。隨著我國經濟發展腳步的加快，對能源的消耗與需求迅速增多，能源短缺現象十分嚴重，我國每年都需要進口大量的能源。風力發電可以緩解能源短缺的趨勢。第二，有利于環境保護，實現可持續發展。長期以來我國的能源結構不合理，污染嚴重，極大破壞了生態環境。風力發電不產生污染，有利于實現人與自然的和諧發展。第三，應用范圍廣。風力發電技術在山區、孤島等地區及軍事、交通、氣象等領域均有極大的利用價值。

2常見的風力發電控制系統

2.1雙饋風力發電控制系統

雙饋發電系統是風力發電系統中使用最多、最為常見的一種發電系統，該系統具有性價比高的優勢。雙饋風力發電系統主要應用在大功率的風力發電機中。在風力發電系統中，人們對雙饋風力發電系統的研究最為深入。在風力發電中該系統的應用最為成熟。隨著各行業信息化、智能化的程度不斷提高，雙饋風力發電控制系統也逐漸發展起來，其主要控制技術有變速恒頻和恒速恒頻兩種，主要的控制策略有以下幾種：直接功率控制策略、矢量控制策略、滑模控制策略及無功優化控制策略。

2.2直驅式永磁風力發電控制系統

直驅式永磁風力發電系統由于技術原因一直沒有得到很好應用，隨著技術進步，近些年快速發展，在風力發電中占據了一席之地。尤其是直驅式永磁同步風力發電系統發展最快。永磁發電系統主要應用于小功率風力發電機，具有高效、簡單、成本低廉等優勢。直驅式永磁發電系統的控制策略主要包括轉矩反饋控制、最佳葉尖速比控制、擾動觀察控制和功率反饋控制幾種。

3風力發電系統控制技術的實際應用

3.1自適應控制技術的應用

自適應控制技術是信息控制技術中的一種，在應用期間對技術要求比較高，將這項技術應用到風力發電控制系統中，可以對系統中各項數據的變化情況進行掌握并控制，確保系統中各項參數的合理性。傳統的風力發電控制系統需要構建參數模型來對各項參數進行控制，其對模型的完整性要求比較高。但是這類模型在建設過程中及具有較高的難度，所以無法保證風力發電的控制效果。而自適應控制技術的合理應用可以對系統中各方面的變化情況進行實時掌握，并根據外界環境進行調整，具有明顯的應用優勢，提升風力發電系統的控制效率。

3.2風力發電和電力電子變換器的控制技術

（1）電力電子變換器的控制技術。從整個風力發電系統中可以發現，存在著電力電子變換器，并且電力電子變換器的特征表現在多方面：使用面較為廣泛，可以有效地用于大型風力發電系統中;風能轉換過程中能量的轉換率較高，完成轉換后具備很高的傳輸效率;還可以完善無功功率因素;其使用的安全性和可靠性很高。電力電子變換器的運行功率高且功率范圍也很大;該設備無須花費很多成本。通過運用pwm整流器于風電系統中，能夠最好地控制系統的最大功率。而運用整流器的時候，通過矢量的控制方法可以解除有功功率和無功功率之間的障礙，保證無功功率符合運行的相關要求。另外，pwm整流器還可以使有功功率的輸出量最大化，設置好直流環節并調整風電系統中無功和有功功率。（2）風力發電的控制技術。風力發電需要借助風力進行，這是因為風力與地面距離相差加大，這樣一來，能量轉化工作在空中就能完成。發電機和相關設備都需要努力提升工作效率，并且減輕物體的體重。永磁發電機的優勢在于運行效率高且損耗較小，所以被普遍運用于風力發電系統中。發電機制造還可以通過模塊化方式開展，這樣能減少所需花費的成本，對風力發電系統的發電機進行管控的過程中，一般都會采用矢量的控制方法，這類方法有效地解除了交軸電流與直軸電流之間的矛盾，也就使系統功率的因數控制簡單化。

3.3最優控制

最優控制理論主要是研究如何實現控制系統最優化的一門學科。最主要的任務是從大量的控制方案中找出最優的方案。在風力發電中，風力發電控制系統會受到風速的影響，從而具有很大的不確定性，想要設計一個合適的控制方案具有很大的困難。正因為風力發電控制系統的這種特性，選擇合適的控制方案是控制系統處于最優化是最重要的問題。在這一過程中，最優控制技術的應用作用巨大，可以實現高效捕捉風能，優化電力機組的工作狀態，穩定輸出功率，實現系統的最好性能。

3.4自適應控制

在信息化控制技術中，自適應控制系統具有較高的技術含量。自適應控制系統指的是能夠自動對控制系統中的參數、規律等進行調整的系統，其運行首先需要對對象的動態特點進行識別，然后根據識別結果制定決策，最后對控制系統做出改變。由于風力發電控制系統的參數等是隨著風力不斷變化的，傳統的控制方法要求較多，控制效果不好。自適應控制技術的應用能夠隨外界環境條件的變化自動進行調整，極大提高了風力發電系統的效果。

3.5現代化的控制技術

風力發電中現代化的控制技術可以分為以下幾種類型：魯棒控制技術、變結構控制技術、智能控制技術以及自適應控制技術，風力發電系統中，以變結構控制技術為主，該技術運用廣泛是因為具有很快的反應力、設計較為簡單、實現難度不大;處理一些多變量問題時，魯棒控制技術可以發揮出很好的作用，具有較強穩定性的魯棒控制技術還能有效地處理好參數不準、建模出現誤差或者物質系統受影響的問題;而智能控制技術最突出的方法是模糊控制，它無須過度依賴數學模型，只需憑借專家經驗就能克服一些非線性因素帶來的影響。目前，一臺準確的風力發電機數學模型的建成概率較小，所以對風力發電機組進行控制的過程中，可以多使用模糊控制方法。

結論

當下，風力發電產業發展前景很良好，但還是存在一些問題需要我們去解決和思考。很多風力發電企業還需要引進其它國家的先進技術，不光是風力發電機的控制系統，還有風力發電設備的制造，都需要借助其它力量才能完成。另外，在研制一些關鍵的零部件上，我們國家尚不具備先進的風力發電技術，并且規范程度也較低，所以這需要風力發電企業在重視自主研發技術、學習先進技術的基礎上不斷創新，從而形成自主知識產權，不斷地促進我國風力發電技術的發展和進步。

參考文獻：

[1]趙陽陽，楊秀敏，王森.風力發電系統機械變頻控制技術[J].微電機，2018（9）：59-62.

（作者單位：大唐黑龍江新能源開發有限公司）