風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)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(yè)革命，人類社會也開始進入電氣時代，電力得到了廣泛應(yīng)用，并取代了蒸汽成為工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的主要能源，給人類社會的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和生活方式帶來了巨大的改變。隨著發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在我國得到了普遍應(yīng)用，而風(fēng)力發(fā)電過程中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)是促進風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進一步發(fā)展的重要基礎(chǔ)和影響因素，但是，隨著我國社會經(jīng)濟發(fā)展和人類生活對電力需求的增大，我國原有的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)已無法滿足現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的高要求，阻礙了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進一步發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電;控制技術(shù);措施

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

1風(fēng)力發(fā)電的意義

第一，風(fēng)力發(fā)電有利于解決我國能源短缺的問題。隨著我國經(jīng)濟發(fā)展腳步的加快，對能源的消耗與需求迅速增多，能源短缺現(xiàn)象十分嚴重，我國每年都需要進口大量的能源。風(fēng)力發(fā)電可以緩解能源短缺的趨勢。第二，有利于環(huán)境保護，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。長期以來我國的能源結(jié)構(gòu)不合理，污染嚴重，極大破壞了生態(tài)環(huán)境。風(fēng)力發(fā)電不產(chǎn)生污染，有利于實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。第三，應(yīng)用范圍廣。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在山區(qū)、孤島等地區(qū)及軍事、交通、氣象等領(lǐng)域均有極大的利用價值。

2常見的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)

2.1雙饋風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)

雙饋發(fā)電系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中使用最多、最為常見的一種發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有性價比高的優(yōu)勢。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用在大功率的風(fēng)力發(fā)電機中。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，人們對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究最為深入。在風(fēng)力發(fā)電中該系統(tǒng)的應(yīng)用最為成熟。隨著各行業(yè)信息化、智能化的程度不斷提高，雙饋風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)也逐漸發(fā)展起來，其主要控制技術(shù)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(yōu)化控制策略。

2.2直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)

直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于技術(shù)原因一直沒有得到很好應(yīng)用，隨著技術(shù)進步，近些年快速發(fā)展，在風(fēng)力發(fā)電中占據(jù)了一席之地。尤其是直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展最快。永磁發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用于小功率風(fēng)力發(fā)電機，具有高效、簡單、成本低廉等優(yōu)勢。直驅(qū)式永磁發(fā)電系統(tǒng)的控制策略主要包括轉(zhuǎn)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的實際應(yīng)用

3.1自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用

自適應(yīng)控制技術(shù)是信息控制技術(shù)中的一種，在應(yīng)用期間對技術(shù)要求比較高，將這項技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中，可以對系統(tǒng)中各項數(shù)據(jù)的變化情況進行掌握并控制，確保系統(tǒng)中各項參數(shù)的合理性。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)需要構(gòu)建參數(shù)模型來對各項參數(shù)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(shè)過程中及具有較高的難度，所以無法保證風(fēng)力發(fā)電的控制效果。而自適應(yīng)控制技術(shù)的合理應(yīng)用可以對系統(tǒng)中各方面的變化情況進行實時掌握，并根據(jù)外界環(huán)境進行調(diào)整，具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢，提升風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制效率。

3.2風(fēng)力發(fā)電和電力電子變換器的控制技術(shù)

（1）電力電子變換器的控制技術(shù)。從整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中可以發(fā)現(xiàn)，存在著電力電子變換器，并且電力電子變換器的特征表現(xiàn)在多方面：使用面較為廣泛，可以有效地用于大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中;風(fēng)能轉(zhuǎn)換過程中能量的轉(zhuǎn)換率較高，完成轉(zhuǎn)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(shè)備無須花費很多成本。通過運用pwm整流器于風(fēng)電系統(tǒng)中，能夠最好地控制系統(tǒng)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(guān)要求。另外，pwm整流器還可以使有功功率的輸出量最大化，設(shè)置好直流環(huán)節(jié)并調(diào)整風(fēng)電系統(tǒng)中無功和有功功率。（2）風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電需要借助風(fēng)力進行，這是因為風(fēng)力與地面距離相差加大，這樣一來，能量轉(zhuǎn)化工作在空中就能完成。發(fā)電機和相關(guān)設(shè)備都需要努力提升工作效率，并且減輕物體的體重。永磁發(fā)電機的優(yōu)勢在于運行效率高且損耗較小，所以被普遍運用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。發(fā)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)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(tǒng)功率的因數(shù)控制簡單化。

3.3最優(yōu)控制

最優(yōu)控制理論主要是研究如何實現(xiàn)控制系統(tǒng)最優(yōu)化的一門學(xué)科。最主要的任務(wù)是從大量的控制方案中找出最優(yōu)的方案。在風(fēng)力發(fā)電中，風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)會受到風(fēng)速的影響，從而具有很大的不確定性，想要設(shè)計一個合適的控制方案具有很大的困難。正因為風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的這種特性，選擇合適的控制方案是控制系統(tǒng)處于最優(yōu)化是最重要的問題。在這一過程中，最優(yōu)控制技術(shù)的應(yīng)用作用巨大，可以實現(xiàn)高效捕捉風(fēng)能，優(yōu)化電力機組的工作狀態(tài)，穩(wěn)定輸出功率，實現(xiàn)系統(tǒng)的最好性能。

3.4自適應(yīng)控制

在信息化控制技術(shù)中，自適應(yīng)控制系統(tǒng)具有較高的技術(shù)含量。自適應(yīng)控制系統(tǒng)指的是能夠自動對控制系統(tǒng)中的參數(shù)、規(guī)律等進行調(diào)整的系統(tǒng)，其運行首先需要對對象的動態(tài)特點進行識別，然后根據(jù)識別結(jié)果制定決策，最后對控制系統(tǒng)做出改變。由于風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的參數(shù)等是隨著風(fēng)力不斷變化的，傳統(tǒng)的控制方法要求較多，控制效果不好。自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用能夠隨外界環(huán)境條件的變化自動進行調(diào)整，極大提高了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效果。

3.5現(xiàn)代化的控制技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電中現(xiàn)代化的控制技術(shù)可以分為以下幾種類型：魯棒控制技術(shù)、變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)、智能控制技術(shù)以及自適應(yīng)控制技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，以變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)為主，該技術(shù)運用廣泛是因為具有很快的反應(yīng)力、設(shè)計較為簡單、實現(xiàn)難度不大;處理一些多變量問題時，魯棒控制技術(shù)可以發(fā)揮出很好的作用，具有較強穩(wěn)定性的魯棒控制技術(shù)還能有效地處理好參數(shù)不準、建模出現(xiàn)誤差或者物質(zhì)系統(tǒng)受影響的問題;而智能控制技術(shù)最突出的方法是模糊控制，它無須過度依賴數(shù)學(xué)模型，只需憑借專家經(jīng)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(fēng)力發(fā)電機數(shù)學(xué)模型的建成概率較小，所以對風(fēng)力發(fā)電機組進行控制的過程中，可以多使用模糊控制方法。

結(jié)論

當下，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景很良好，但還是存在一些問題需要我們?nèi)ソ鉀Q和思考。很多風(fēng)力發(fā)電企業(yè)還需要引進其它國家的先進技術(shù)，不光是風(fēng)力發(fā)電機的控制系統(tǒng)，還有風(fēng)力發(fā)電設(shè)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(guān)鍵的零部件上，我們國家尚不具備先進的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，并且規(guī)范程度也較低，所以這需要風(fēng)力發(fā)電企業(yè)在重視自主研發(fā)技術(shù)、學(xué)習(xí)先進技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，從而形成自主知識產(chǎn)權(quán)，不斷地促進我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和進步。

參考文獻：

[1]趙陽陽，楊秀敏，王森.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機械變頻控制技術(shù)[J].微電機，2018（9）：59-62.

（作者單位：大唐黑龍江新能源開發(fā)有限公司）