試論風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制方法改進(jìn)策略研究

趙俊文

摘 要：新的可再生能源中潛力最大的是風(fēng)力發(fā)電，世界各國都在爭相發(fā)展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、建設(shè)風(fēng)電場，希望能夠最大限度地利用風(fēng)能。發(fā)展新能源、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展也是我國的一項(xiàng)基本國策。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，其穩(wěn)定運(yùn)行及控制技術(shù)的成熟是基礎(chǔ)條件。其產(chǎn)業(yè)發(fā)展必將帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組相關(guān)控制技術(shù)的變革及更新，及現(xiàn)有控制技術(shù)的完善，帶動(dòng)自主研發(fā)及技術(shù)投入，實(shí)現(xiàn)我國風(fēng)電控制技術(shù)的先進(jìn)性、成熟性、穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī) 控制技術(shù) 策略研究

中圖分類號(hào)：TP211 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）06（a）-0125-01

我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)起步較晚，但總體發(fā)展速度很快，總裝機(jī)容量增長迅猛，風(fēng)力發(fā)電與總發(fā)電量的占比快速提高，但相關(guān)控制技術(shù)還與發(fā)達(dá)國家有一定差距，無法適應(yīng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。因此，盡快發(fā)展新型發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的根本要求。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及主要分類

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

風(fēng)力發(fā)電機(jī)級(jí)由于其分類不同，設(shè)備也不盡相同，但大致由以下設(shè)備構(gòu)成。風(fēng)力發(fā)電電源由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、支撐發(fā)電機(jī)組的塔架、蓄電池充電控制器、逆變器、卸荷器、并網(wǎng)控制器、蓄電池組等組成；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)；風(fēng)輪中含葉片、輪轂、加固件等組成；它有葉片受風(fēng)力旋轉(zhuǎn)發(fā)電、發(fā)電機(jī)機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)等功能。

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要分類

（1）基于失速型的分離發(fā)電機(jī)組。

基于失速型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組種類較少，現(xiàn)有的主要包括兩種，即定槳距失速型和變槳距失速型等兩種。在這兩種類型中，定槳距失速型主要利用風(fēng)輪葉片的失速作用，來實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)力較大情況下的功率進(jìn)行準(zhǔn)確控制，然后，利用該型機(jī)組上的葉尖擾流器對(duì)極端情況下的停機(jī)問題進(jìn)行控制。對(duì)于變槳距失速型，其發(fā)電機(jī)組則與定槳距失速型存在差異，主要通過低風(fēng)速下的槳距角來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的控制，在高風(fēng)速情況下則利用葉片槳距角的改變來對(duì)功率輸出進(jìn)行控制。

（2）雙饋?zhàn)兯俸泐l型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

該類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)分論葉片槳距角的調(diào)節(jié)，還可以采用能夠變速的雙饋性發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)恒頻恒壓電能的輸出。如果風(fēng)速低于額定速度，該類型機(jī)組能夠利用轉(zhuǎn)速和葉片槳距角的改變，將發(fā)電機(jī)組控制在狀態(tài)下運(yùn)行，確保輸出功率為最大；在風(fēng)速高于額定速率時(shí)，可以利用葉片槳距角的改變，將發(fā)電機(jī)組的功率控制在額定的功率。

（3）直驅(qū)型性風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

該類型發(fā)電機(jī)組是一種不帶齒輪箱的變槳距變速發(fā)電機(jī)組，其中的風(fēng)輪軸能夠與低速發(fā)電機(jī)直接相連接。所以，在使用中，該類型的發(fā)電機(jī)組需要采用全功率變流器。

（4）混合型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

該類型的發(fā)電組中包含有單級(jí)齒輪箱以及中速發(fā)電機(jī)，可以認(rèn)為是直驅(qū)型和傳統(tǒng)型的混合類型。在使用中，該類型的發(fā)電機(jī)組也需要采用全功率變流器。

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

2.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制

風(fēng)電機(jī)組在使用過程中受外界條件影響較多，如風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)量的變化，及負(fù)載情況的不同等影響，建立起完善的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制是無法實(shí)現(xiàn)的，因此屬于非線性系統(tǒng)，使用滑模變的結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制是合理的。采用間斷性運(yùn)行的方式，當(dāng)外界條件及風(fēng)的相關(guān)要求滿足匹配條件時(shí)，做定向的滑模運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)明顯，利于在外界條件變化大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)級(jí)實(shí)現(xiàn)良好控制。

滑模變結(jié)構(gòu)下的控制系統(tǒng)能夠保證系統(tǒng)的魯棒性，而系統(tǒng)出現(xiàn)的抖振現(xiàn)象是比較大的缺點(diǎn)，同時(shí)能夠有效抑制外加的干擾對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的不利影響。有的學(xué)者提出采用離階滑模變的控制方法來解決系統(tǒng)系統(tǒng)的抖振，維持輸出功率的穩(wěn)定。

2.2 最優(yōu)控制

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行多在復(fù)雜多變的條件下，因此線性的婁學(xué)模型無法做到對(duì)于系統(tǒng)的精確控制及外界自然條件的采集與識(shí)別。對(duì)于這種情況，廣泛采用利用線性模型設(shè)計(jì)的最估系統(tǒng)，該系統(tǒng)可能很好地調(diào)功率輸出的微小變化，還能抑制系統(tǒng)本身故障帶來的電壓波動(dòng)。同時(shí)完成風(fēng)能變化的搜集及自動(dòng)控制。

2.3 模糊控制

模糊控制屬于現(xiàn)階段發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的高級(jí)策略，它采用了兩種方法，模糊推理及語言規(guī)則。不需要非線性因素的存在，及精確的數(shù)理模型，使系統(tǒng)的魯棒性有效提高。模糊控制的大量采用可以有效增強(qiáng)風(fēng)能利用率、保證最大功率跟蹤及風(fēng)速急變情況下的穩(wěn)步作用非常明顯。

典型的例子如：（1）當(dāng)將其使用于變槳距并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中時(shí)，有效調(diào)節(jié)了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，還調(diào)整了風(fēng)輪的槳距角、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速和葉尖速比等，保證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率和頻率的穩(wěn)定輸出。與以往使用的PID控制器相比，抖振現(xiàn)象大大減少，系統(tǒng)的效率與質(zhì)量明顯得到提高。

（2）依靠TS模糊模型系統(tǒng)，將局部的非線性功能用于風(fēng)力混合動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)中，再使用語言規(guī)將其劃分為低級(jí)系統(tǒng)。配合最合適的分割時(shí)間序列，再使用線性二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)一步提高控制。該方法比過去的控制方式更能抵制外界的擾動(dòng)，可以較好地適應(yīng)風(fēng)速與負(fù)載實(shí)時(shí)變化的惡劣條件。

（3）將最優(yōu)的模糊控制邏輯使用到雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速，依靠整流器和逆變器可以對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使風(fēng)速與轉(zhuǎn)速的變化一致，這樣，能夠提高風(fēng)能的利用率；如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速，則需要用模糊控制器來調(diào)節(jié)槳距角，對(duì)風(fēng)能進(jìn)行控制，不搜集多余的風(fēng)能，減少風(fēng)能捕獲率。此種方法，可以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率的穩(wěn)定輸出，同時(shí)可以節(jié)省能源，功率傳輸鏈易于控制。

模糊控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)較多，智能化水平也較高，因此該項(xiàng)技術(shù)在發(fā)電機(jī)組的控制領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。

2.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，與其他的控制系統(tǒng)相比，是一種比較先進(jìn)的智能控制技術(shù)，它具有識(shí)別性和判斷力，能夠及時(shí)處理各種信息。該理論的體系完善，組織性高，適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)于風(fēng)力的微小變化，都可以進(jìn)行檢測和判斷，大大提高發(fā)電機(jī)組的管理水平和智能程度。

風(fēng)速的預(yù)測是風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)的難點(diǎn)。風(fēng)速的預(yù)測需要依靠風(fēng)的性質(zhì)、地理環(huán)境、及周期等特點(diǎn)，因此使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)及相關(guān)理論進(jìn)行風(fēng)速預(yù)測，同時(shí)采用時(shí)間序列模型計(jì)算風(fēng)速的變化及周期長短，使用反向傳播技術(shù)和回歸方法來預(yù)測采集風(fēng)速的變化量。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種非線性系統(tǒng)，對(duì)數(shù)理沒有過分精確的要求，因此自適應(yīng)性較強(qiáng)，控制能力精準(zhǔn)，可以在風(fēng)速、風(fēng)向的急速變化下安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行需要。

3 結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)是典型的機(jī)電一體化技術(shù)系統(tǒng)，同時(shí)涉及空氣動(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)、力學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)等相關(guān)學(xué)科及領(lǐng)域。風(fēng)電工程師應(yīng)系統(tǒng)地綜合地研究風(fēng)電控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的大型化，高效化。同時(shí)還應(yīng)重視風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的智能化與自動(dòng)化。使風(fēng)力發(fā)電實(shí)現(xiàn)其社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

參考文獻(xiàn)

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