基于LQG-I 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張思維

（國(guó)電電力山西新能源開發(fā)有限公司，山西大同，037000）

0 引言

隨著城市的建設(shè)，需要電能的物質(zhì)越來(lái)越多，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的需求量隨之增加，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始24h 不間斷運(yùn)行，此過(guò)程中，對(duì)機(jī)組的損耗巨大，極易出現(xiàn)機(jī)組罷工的情況，導(dǎo)致電力系統(tǒng)癱瘓[3]。在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，風(fēng)輪的作用至關(guān)重要，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速是影響電能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵性因素，提高風(fēng)輪低轉(zhuǎn)速的控制效果，才能完善風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效果，并將發(fā)電功率的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算，將功率與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速控制在可行的范圍內(nèi)，可以減小發(fā)電機(jī)組的壓力，從而提升機(jī)組的使用壽命[4]。本文以風(fēng)力發(fā)電為例，在LQG-I 的前提下，設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法，旨在加強(qiáng)風(fēng)力控制效果，提升風(fēng)能轉(zhuǎn)化電能的效率，對(duì)后續(xù)電能的使用具有深遠(yuǎn)的意義。

1 風(fēng)力發(fā)電測(cè)速模型構(gòu)建

在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，普遍使用風(fēng)輪上的葉片獲取風(fēng)能，此時(shí)葉片上的風(fēng)速為風(fēng)力發(fā)電有效風(fēng)速。但是在測(cè)量過(guò)程中，由于風(fēng)力不穩(wěn)定，風(fēng)速計(jì)算效果較差，從而限制風(fēng)力發(fā)電效果?，F(xiàn)如今的風(fēng)能測(cè)速空間制約條件較大，即使使用精密儀器也很難完成測(cè)速。因此，本文考慮到多方面的因素，設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電的測(cè)速模型如下所示。

式（1）中，Wspeed為實(shí)際風(fēng)速；Seffctive為有效風(fēng)速；Mnoise為測(cè)量噪聲；Wduration為風(fēng)力穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)。本文考慮到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際風(fēng)速與有效風(fēng)速等不確定性因素，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各個(gè)組成部分進(jìn)行約束，初步提升機(jī)組各構(gòu)件的相互協(xié)調(diào)能力。一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)速控制是將風(fēng)輪的模態(tài)位移進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)風(fēng)輪方位角進(jìn)行計(jì)算，從而保證發(fā)電機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)化精度。但是，實(shí)際上的風(fēng)力發(fā)電過(guò)程，控制效果需要得到機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果，并將風(fēng)電載荷與控制自由度相互平衡，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組的動(dòng)態(tài)控制與動(dòng)態(tài)傳動(dòng)。因此，本文將測(cè)速模型作出約束，令Mnoise=0，則Wspeed的理想狀態(tài)為：

式（2）中，Wspeed′為理想狀態(tài)下的風(fēng)速測(cè)量值；Cwheel為風(fēng)輪變量；以此作為本文設(shè)計(jì)的測(cè)速模型的約束條件，減少風(fēng)輪自身的調(diào)節(jié)負(fù)荷，改變風(fēng)輪的變化角度，調(diào)整有效風(fēng)速的測(cè)量結(jié)果，從而總體把控風(fēng)力發(fā)電過(guò)程。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無(wú)功控制

對(duì)風(fēng)力發(fā)電測(cè)速模型約束控制后，開始實(shí)際風(fēng)力測(cè)量，但是由于風(fēng)力的可變性原因，在測(cè)速過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相關(guān)無(wú)功功率，從而導(dǎo)致電能的功率控制效果下降，增加發(fā)電機(jī)組的能源損耗。本文考慮到無(wú)功功率的誤差性，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行無(wú)功控制。本文假設(shè)無(wú)功控制誤差為Ereactive，則：

式（3）中，Ereactive為無(wú)功控制誤差；Preactive為發(fā)電機(jī)組的無(wú)功功率；Ppreset為機(jī)組的無(wú)功預(yù)設(shè)條件；Econtrol為無(wú)功誤差控制指標(biāo)；e(t)為t時(shí)刻機(jī)組的能源損耗情況，以此無(wú)功控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，提高機(jī)組電能功率控制效果，為發(fā)電機(jī)組最大功率控制提供支撐。本文選取10 組存在無(wú)功控制的，代表性較強(qiáng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為誤差分析對(duì)象，由于每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的預(yù)設(shè)條件不同，無(wú)法進(jìn)行統(tǒng)一控制，因此需要將無(wú)功誤差控制指標(biāo)作出轉(zhuǎn)化，對(duì)機(jī)組進(jìn)行統(tǒng)一控制，轉(zhuǎn)化過(guò)程為：

式（4）中，Rreactive為發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)化率。通過(guò)計(jì)算得到10 組風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無(wú)功控制誤差，可以有效提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制效果。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無(wú)功控制誤差結(jié)果如表1所示。

表1 無(wú)功控制誤差結(jié)果

3 發(fā)電機(jī)組最大功率控制

本文通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無(wú)功控制設(shè)計(jì)，可以初步提升機(jī)組的電能功率控制效果。并在此條件下，利用LQG-I對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最大功率進(jìn)行控制，完成風(fēng)力指標(biāo)極小的最優(yōu)隨機(jī)控制。在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，存在高風(fēng)速區(qū)與低風(fēng)速區(qū)，最大功率的控制可以完善風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制效果。但是，由于控制步驟較多且繁瑣，在最大功率控制時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的噪聲，因此需要利用LQG-I 獲取所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)機(jī)組的噪聲參數(shù)進(jìn)行處理。并利用LQG-I 狀態(tài)反饋性能確定控制參數(shù)，從而控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大功率。本文在LQG-I 基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)組的控制參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

式（5）中，Pmax為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最大功率；ρa(bǔ)ir為空氣密度。本文通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為正常運(yùn)行狀態(tài)后，捕捉風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最佳工作狀態(tài)時(shí)的空氣密度，結(jié)合周圍噪聲參數(shù)，得出此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最大功率。此外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最終控制目標(biāo)為風(fēng)機(jī)在任意風(fēng)速下，均可以達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，能夠最大限度地利用風(fēng)能的風(fēng)力系數(shù)，從而獲取風(fēng)能。傳統(tǒng)控制方法中普遍利用風(fēng)速計(jì)直接測(cè)量當(dāng)前的風(fēng)速信號(hào)，但是此種測(cè)量方式造成的誤差結(jié)果極大，影響最終對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制效果。本文使用LQG-I 獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最優(yōu)控制參數(shù)，同時(shí)考慮風(fēng)速測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的噪聲，以運(yùn)行狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換行為對(duì)比理想狀態(tài)下的風(fēng)速結(jié)果，最終得到發(fā)電機(jī)組最大控制功率，為進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電轉(zhuǎn)化控制性能，提升控制效果提供方法支持。

4 實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有效控制

為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有效控制，本文首先構(gòu)建了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)力測(cè)速模型，并提供相關(guān)約束條件，保證模型對(duì)風(fēng)力測(cè)速的真實(shí)效果。其次，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可能出現(xiàn)的無(wú)功功率進(jìn)行計(jì)算，并以無(wú)功機(jī)組為例，轉(zhuǎn)化無(wú)功誤差控制指標(biāo)，以此計(jì)算誤差結(jié)果，從而達(dá)成模型無(wú)功控制的目的，確保電能的功率控制效果，降低發(fā)電機(jī)組的能源損耗。最后，利用LQG-I 的最優(yōu)控制和狀態(tài)反饋性能，控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最大功率，在保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行條件下，加入風(fēng)速測(cè)量出現(xiàn)的噪聲，調(diào)整模型的控制負(fù)載，從而優(yōu)化機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的最優(yōu)控制。本文認(rèn)為，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制性能不僅需要對(duì)機(jī)組功率實(shí)施控制，還要減少機(jī)組的功率負(fù)荷與功率輸出。通過(guò)本文設(shè)計(jì)，可以在保證電能轉(zhuǎn)化效果的前提下，減少機(jī)組的無(wú)功作用與無(wú)功誤差，同時(shí)也將風(fēng)速等約束變量進(jìn)行考量，可以有效調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大功率，保證機(jī)組的控制效果。

5 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的控制方法是否具有實(shí)用效果，本文將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同風(fēng)速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制效果進(jìn)行擬合。在此基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法與本文設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證兩種方法的控制效果。實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果如下所示。

■5.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

此次實(shí)驗(yàn)，以圖1 所示的發(fā)電機(jī)組調(diào)度控制系統(tǒng)示意圖，為研究對(duì)象，驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的控制方法是否具有實(shí)用效果。

圖1 發(fā)電機(jī)組調(diào)度控制系統(tǒng)示意圖

本文選取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為實(shí)驗(yàn)前提，此風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定功率為10mW，平均單機(jī)容量在8～12 kW 之間。設(shè)定風(fēng)力發(fā)電機(jī)總數(shù)量約1000 臺(tái)，槳葉長(zhǎng)度在62.8m 左右，風(fēng)輪半徑為65m，輪轂高度大致在89m 左右。為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效果，風(fēng)輪質(zhì)量與輪轂質(zhì)量分別控制在120 噸與260 噸的范圍內(nèi)，使用12.6m/s 的風(fēng)速作為額定風(fēng)速；并將風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速設(shè)定為13.2rpm；風(fēng)力切入風(fēng)速為5m/s，切出風(fēng)速為26m/s。此時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速為1245.6rpm，額定轉(zhuǎn)矩為4775Nm。

圖2 風(fēng)力發(fā)電設(shè)備示意圖

在此基礎(chǔ)上，計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的標(biāo)準(zhǔn)差。計(jì)算公式如下：

式（6）中，Poutput為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率；Spotor為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；Pate為風(fēng)輪半徑；m 與n 為常數(shù)。由此得出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的標(biāo)準(zhǔn)差如表2 所示。

表2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率標(biāo)準(zhǔn)差

如表2 所示，本文將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的構(gòu)件分為風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、葉片、輪轂、加固件、風(fēng)力旋轉(zhuǎn)發(fā)電，以及發(fā)電機(jī)機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)等構(gòu)件。各個(gè)構(gòu)件功率與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的標(biāo)準(zhǔn)差不同，因此，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)定數(shù)據(jù)各不相同。

本文將變速箱剛度設(shè)定在1.56N/m 左右；變速箱電阻設(shè)定為3054Nms/rad；發(fā)電機(jī)電阻設(shè)定為16.45Nms/rad；發(fā)電機(jī)慣性設(shè)定為6.0kg·m2；轉(zhuǎn)子慣性設(shè)定為850000kg·m2；空氣密度設(shè)定為1.642kg/m2；轉(zhuǎn)子葉片長(zhǎng)度設(shè)定為25m，此時(shí)的發(fā)電延遲時(shí)間為450μs。根據(jù)此設(shè)定值，本文將計(jì)算發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，計(jì)算公式如下：

式（7）中，Gspeed為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；Dt為發(fā)電延遲時(shí)間。根據(jù)參數(shù)設(shè)定，由此得出發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速結(jié)果如表3 所示。

表3 發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速

如表3 所示，在1～10s 內(nèi)，發(fā)電機(jī)組功率始終保持在1600mW 內(nèi)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在每5s 變換一次波動(dòng)狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)如圖3 所示。

圖3 發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速信號(hào)

如圖3 所示，此時(shí)發(fā)電機(jī)組以5s 為單位，形成穩(wěn)定信號(hào)波動(dòng)，為風(fēng)力發(fā)電控制提供條件。

■5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，將傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制方法與本文設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制方法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證兩者的發(fā)電控制效果如圖4 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖4 所示，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，傳統(tǒng)控制方法的控制與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電信號(hào)誤差較大，影響實(shí)際發(fā)電效果。而本文設(shè)計(jì)的控制方法與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電信號(hào)相差較少，與其基本保持一致，因此發(fā)電控制效果更佳，符合本文研究目的。

6 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，我國(guó)大力倡導(dǎo)節(jié)能減排，電能作為主要節(jié)約能源，受到了廣泛的關(guān)注。其中，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展速度較快，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而節(jié)約電能資源，為電力事業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。在風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程中，采用空氣動(dòng)力學(xué)、控制理論、機(jī)械分析、電子分析等多方面的應(yīng)用，為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)形成更加有力的支撐。在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電時(shí)，多以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為主要工作結(jié)構(gòu)，將風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、控制設(shè)備等發(fā)電裝置，利用風(fēng)輪吸收風(fēng)力再轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的控制效果。但是，現(xiàn)如今的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速普遍較低，影響風(fēng)能—電能的轉(zhuǎn)化效果。因此，本文利用LQG-I 設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法，旨在提高風(fēng)力發(fā)電控制效果，為風(fēng)力發(fā)電的進(jìn)一步發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。