關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)及風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)分析

郎澤萌

摘 要： 能源和環(huán)境是21世紀(jì)人類面臨的重大問題，面對(duì)有限的、不斷減少的自然資源，全球都在高度關(guān)注再生資源，并致力于研究相關(guān)技術(shù)。我國的地理特點(diǎn)決定了風(fēng)能具有很大的開發(fā)潛力。文章分析了常用的風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)，希望能夠?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)研究提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)力發(fā)電機(jī);發(fā)電控制;技術(shù)

在經(jīng)濟(jì)、科技、建筑、交通高速發(fā)展的新時(shí)期下，社會(huì)需要的能源也越來越多，但大自然中的能源是有限的，因此可再生資源就顯得尤其寶貴。風(fēng)能是一種常見的、應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛的再生能源，而且開發(fā)起來相對(duì)容易，成本低、污染小、應(yīng)用前景十分樂觀。

1 風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

控制技術(shù)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要性主要體現(xiàn)在以下幾方面：（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)所獲得的風(fēng)能是隨機(jī)的、無法控制的。風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)力的大小會(huì)隨著客觀自然條件的變化而改變，本身并不具有控制性，要想得到控制，就需要通過技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)。（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪慣性很大，風(fēng)輪葉片直徑在特定的范圍內(nèi)可以有效利用風(fēng)能。（3）風(fēng)力發(fā)電所需要的并網(wǎng)、脫網(wǎng)都會(huì)用到控制技術(shù)?，F(xiàn)階段，很多技術(shù)都可以應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)也越來越先進(jìn)，控制方向越來越多元化。定槳距型風(fēng)力機(jī)只通過連接槳葉、輪轂并不能發(fā)生改變，在風(fēng)速高于額定風(fēng)速的情況下，通過失速原理可以限制發(fā)電機(jī)的功率。所謂失速原理，指的是氣流達(dá)到一定程度的攻角后就會(huì)產(chǎn)生渦流。當(dāng)外界因素讓輸出功率發(fā)生改變時(shí)，槳葉的被動(dòng)失速調(diào)節(jié)就不會(huì)由任何控制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)就會(huì)更加簡化。然而，風(fēng)輪的葉片重量很大，一些部件受力大，所以發(fā)電機(jī)組的工作效率較低，一些重要部件也很容易損壞。

2 風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)淺析

（1）電力電子變換器控制技術(shù)。該技術(shù)的應(yīng)用范圍較廣，在大型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中能夠得到很好的應(yīng)用。風(fēng)能有著較高的能量轉(zhuǎn)換率，轉(zhuǎn)換后的傳輸效率同樣很高，還能夠進(jìn)一步完善無功功率，安全性高。電力電子變換器的功率范圍較大，運(yùn)行功率較高，但成本并不高。在風(fēng)電系統(tǒng)中加入PWM整流器，就可以有效控制最大功率，通過矢量控制的方式能夠彌補(bǔ)整流器無功功率、有功功率的缺陷，讓無功功率也能夠符合整流器運(yùn)行要求。PWM整流器可以實(shí)現(xiàn)有功功率最大化的輸出量，只要按要求設(shè)置直流環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)風(fēng)電系統(tǒng)的無功功率、有功功率便可。（2）風(fēng)輪控制技術(shù)。①通過功率信號(hào)反饋進(jìn)行控制。風(fēng)輪在運(yùn)行狀態(tài)下，功率和實(shí)際風(fēng)力條件的變化一致，分析功率關(guān)系，繪制最大功率的曲線圖，就可以通過功率信號(hào)來控制風(fēng)輪運(yùn)行。實(shí)際操作過程中，還要比較最大功率和系統(tǒng)的客觀輸出功率，獲得二者的差值，然后再調(diào)整風(fēng)輪的槳距，最大限度的提高風(fēng)輪的運(yùn)行效率。這種控制技術(shù)的成本較低，但缺點(diǎn)是很難在風(fēng)機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)下獲得最大功率的曲線。②葉尖速比的管控。在風(fēng)力的影響下，風(fēng)輪中的風(fēng)葉尖端在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生線速度，即葉尖速。葉尖速比用來表示葉尖速以及時(shí)間范圍內(nèi)的風(fēng)速比值?？刂迫~尖速比值就能很好的控制葉尖速比，繼而控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行。由于風(fēng)速不一致，因此很難明確最理想的葉尖速比，所以要適度改變?nèi)~尖速，調(diào)節(jié)好風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩，以更好的調(diào)整風(fēng)輪外邊緣速度，以優(yōu)化葉尖速比。（3）H∞魯棒控制技術(shù)。H∞魯棒控制技術(shù)是以Hardy空間作為理論依據(jù)的，通過個(gè)別性能指標(biāo)來優(yōu)化無窮范數(shù)，從而得到具有魯棒功能的控制器。H∞魯棒控制可以有效從護(hù)理多變量，基于嚴(yán)謹(jǐn)、精確的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)來解決建模初期產(chǎn)生的誤差。在風(fēng)能激勵(lì)的情況下，H∞的相應(yīng)范數(shù)最小，控制系統(tǒng)的輸出非常穩(wěn)定，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，H∞魯棒控制技術(shù)十分重要，如果風(fēng)向和風(fēng)速并不穩(wěn)定，而且頻繁改變，就可通過H∞魯棒控制原理來控制變速恒頻的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)能的快速跟蹤，以最大限度的提高風(fēng)能利用效率和捕獲風(fēng)能的效率。（4）模糊控制技術(shù)。這是一種最具有代表性的智能控制技術(shù)，其技術(shù)理論為模糊推理及語言規(guī)則，屬于高級(jí)控制技術(shù)，該技術(shù)不會(huì)受到非線性因素的影響，具有很強(qiáng)的魯棒性。通過模糊控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，能夠顯著提高風(fēng)能的利用率，還能實(shí)現(xiàn)最大功率的追蹤，而且還具有變速恒頻優(yōu)勢。正是因?yàn)槟：刂萍夹g(shù)的優(yōu)點(diǎn)十分突出，所以在該技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，融入了人工智能、仿人智能、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等各種技術(shù)，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)的智能化發(fā)展具有重要意義。在變槳距并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中運(yùn)用該技術(shù)，可以全面改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性，有效控制踢葉尖速比、風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪槳距角，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠輸出恒定頻率、恒功率。與PID控制器相比，模糊控制技術(shù)能夠更好的減輕個(gè)抖振問題，提高發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率和質(zhì)量。

3 風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)的發(fā)展前景

再生能源的開發(fā)、利用是全球范圍內(nèi)都在關(guān)注的問題，社會(huì)經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)，對(duì)能源的需求量就越大，因此風(fēng)力發(fā)電技術(shù)受到普遍關(guān)注。（1）海上風(fēng)電場技術(shù)。與內(nèi)陸地區(qū)相比，海上的風(fēng)力資源更加豐富，而且主導(dǎo)的風(fēng)向更具有穩(wěn)定性，周圍環(huán)境對(duì)風(fēng)電技術(shù)產(chǎn)生的影響比較小，十分有利于海上風(fēng)電場的發(fā)展。然而，有些技術(shù)上的難題仍然是不可避免的，比如風(fēng)電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)、海上風(fēng)電場協(xié)調(diào)控制技術(shù)、海上風(fēng)電場運(yùn)輸技術(shù)，如果上述技術(shù)問題能夠一一得到解決，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的穩(wěn)定性就能大幅度提高。（2）最大風(fēng)能的捕獲技術(shù)。發(fā)電轉(zhuǎn)速能否達(dá)到最好的控制效果是研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵，為了保證風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠，需要不斷的調(diào)控并網(wǎng)開關(guān)閉合。捕獲最大風(fēng)能需要不斷的調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的扭轉(zhuǎn)功率和槳距，只有這樣才能讓那個(gè)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)迅速發(fā)展。（3）大容量的風(fēng)電系統(tǒng)。為了滿足社會(huì)日益增加的能源需求量，兆瓦級(jí)的大容量機(jī)組成為主要的發(fā)展趨勢，可以最大限度的提高發(fā)電設(shè)備的利用效率，避免資源浪費(fèi)，盡可能地給風(fēng)電產(chǎn)業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益。然而，大容量機(jī)組在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)起來非常困難，增加容量意味著要進(jìn)一步改進(jìn)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、控制技術(shù)和各種材料，提高了工作難度。目前來講，直驅(qū)式的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及多極永磁發(fā)電機(jī)是主要的參考對(duì)象，更是設(shè)計(jì)大容量機(jī)組的技術(shù)指導(dǎo)依據(jù)。

4 結(jié)語

21世紀(jì)，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)還是具有非常樂觀的發(fā)展前景的，盡管仍然存在許多問題需要解決。風(fēng)力發(fā)電企業(yè)除了不斷研發(fā)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)之外，還要引進(jìn)先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備，在零部件的研發(fā)方面，我國與發(fā)達(dá)國家還有很大差距，所以，應(yīng)該從技術(shù)、設(shè)備兩方面著手，不斷汲取先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自我創(chuàng)新，以推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的長足進(jìn)步。

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