風(fēng)電機(jī)組自適應(yīng)控制策略研究

田元興

【摘 ?要】據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用固定控制參數(shù)，在西部晝夜溫差大的區(qū)域因空氣密度估計(jì)偏差，可使風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量損失2%左右，空氣密度對(duì)海拔尤為敏感，所以實(shí)時(shí)、實(shí)地的估計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制參數(shù)，得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)可以提高風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量。文章借助共享機(jī)制風(fēng)電場(chǎng)提供的數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，選用1臺(tái)具有代表性的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，安裝高精度風(fēng)速測(cè)量傳感器，使用具有參數(shù)估計(jì)功能的反推自適應(yīng)控制理論控制這臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，讓它工作在最優(yōu)葉尖速比狀態(tài)，同時(shí)估計(jì)出整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)準(zhǔn)確的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制參數(shù)，通過數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)共享控制參數(shù)，提高了風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能利用率。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電機(jī)組;自適應(yīng)控制

1 風(fēng)輪空氣動(dòng)力特性

額定風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電效率與葉片的葉尖速比關(guān)系密切，以當(dāng)前廣泛應(yīng)用的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，設(shè)葉尖速比為λ，最優(yōu)葉尖速比為λopt，引入變量λe定義為λe=λ-λopt，設(shè)風(fēng)速為8 m/s，槳距角為0°，可以看出在葉尖速比為λopt時(shí)，風(fēng)輪吸收的風(fēng)能最大。

在最優(yōu)葉尖速比對(duì)應(yīng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速附近，風(fēng)輪所受到的風(fēng)力矩T隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的增加是遞減的，即：

式中：T（λe）是葉尖速比與最優(yōu)葉尖速比之差為λe時(shí)的風(fēng)力矩;T（Ω）為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為Ω時(shí)風(fēng)輪接收的風(fēng)力矩;Topt是T（Ωopt）的值，因?yàn)镽與v都是正數(shù)，所以式（2）中θ<0。

當(dāng)風(fēng)輪運(yùn)行在最優(yōu)葉尖速比狀態(tài)時(shí)，傳動(dòng)鏈對(duì)風(fēng)輪產(chǎn)生的制動(dòng)力矩Ts和風(fēng)對(duì)風(fēng)輪產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩Topt需相等。如果傳動(dòng)鏈對(duì)風(fēng)輪的作用力矩Ts 1>Topt，風(fēng)輪會(huì)穩(wěn)定在位置1（λe 1，Ts 1）;當(dāng)傳動(dòng)鏈對(duì)風(fēng)輪的作用力矩Ts 2

當(dāng)風(fēng)輪工作在最優(yōu)葉尖速比狀態(tài)時(shí)，作用在風(fēng)輪上的驅(qū)動(dòng)力矩為：

式中：Ω是風(fēng)輪轉(zhuǎn)速;Ωopt是最優(yōu)葉尖速比對(duì)應(yīng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速;R是風(fēng)輪平面半徑;ρ是空氣密度;S是風(fēng)輪掃風(fēng)面積;Copt是風(fēng)能最大利用系數(shù);v是穿過風(fēng)輪平面的風(fēng)速。

所以參數(shù)K的偏差會(huì)導(dǎo)致風(fēng)輪最優(yōu)驅(qū)動(dòng)力矩Topt的計(jì)算誤差。為了讓風(fēng)輪以最大效率利用風(fēng)能，有必要提高參數(shù)K的準(zhǔn)確性。且由式（3）知K與空氣密度、風(fēng)輪的幾何尺寸R，S及風(fēng)輪空氣動(dòng)力參數(shù)Copt都有關(guān)系。

2 風(fēng)電機(jī)組自適應(yīng)控制算法

2.1 風(fēng)電機(jī)組自適應(yīng)控制原理及穩(wěn)定性分析

為了使風(fēng)輪以最大效率利用風(fēng)能，需要讓風(fēng)輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在最優(yōu)葉尖速比位置。設(shè)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為Ω，當(dāng)前風(fēng)速下最優(yōu)葉尖速比對(duì)應(yīng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為Ωopt，引入變量x，使x=Ω-Ωopt，則風(fēng)輪工作在最優(yōu)葉尖速比時(shí)x=0。風(fēng)輪模型為

2.2 風(fēng)電機(jī)組自適應(yīng)算法性質(zhì)

2.2.1 算法的優(yōu)點(diǎn)

使用這種自適應(yīng)控制算法，不需要測(cè)量風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以自適應(yīng)風(fēng)速波動(dòng)，當(dāng)風(fēng)速存在波動(dòng)時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速會(huì)自動(dòng)跟隨風(fēng)速變化，最后穩(wěn)定在最優(yōu)葉尖速比狀態(tài)。其次，控制算法簡(jiǎn)單且只有一個(gè)控制參數(shù)K，便于工程用。

2.2.2 算法存在的問題

當(dāng)參數(shù)K存在偏差時(shí)，由式（3）知，在風(fēng)輪轉(zhuǎn)速Ω=Ωopt時(shí)KΩ2opt≠Topt。由第一節(jié)得到的結(jié)論知風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)偏離最優(yōu)葉尖速比狀態(tài)。所以，為了提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率，需要準(zhǔn)確估計(jì)出參數(shù)K的值。反推自適應(yīng)控制算法因?yàn)榫哂辛己玫目刂铺匦裕驯怀晒?yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，該文引入了基于參數(shù)估計(jì)的反推自適應(yīng)控制算法完成參數(shù)估計(jì)和優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)自適應(yīng)控制性能的目的。

3 基于參數(shù)估計(jì)的反推自適應(yīng)控制算法

結(jié)語

鑒于共享機(jī)制風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在的共性，在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)選擇1臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，采用基于參數(shù)估計(jì)的反推自適應(yīng)算法控制此風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在控制它高效運(yùn)行的同時(shí)，辨識(shí)出其他風(fēng)力發(fā)電機(jī)自適應(yīng)控制所需的控制參數(shù)，通過場(chǎng)站數(shù)據(jù)共享平臺(tái)讓自適應(yīng)控制參數(shù)在整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)共享，為建設(shè)高效風(fēng)電場(chǎng)提供了一種技術(shù)手段。

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（作者單位：北京金風(fēng)慧能技術(shù)有限公司）