風力發(fā)電電氣控制技術(shù)及應(yīng)用

中電投錦州港口有限責任公司 劉 雷

1 我國風力發(fā)電的主要現(xiàn)狀分析

1.1 風力發(fā)電的基本原理概述

從風力發(fā)電的基本原理來看，其以風的作用來推動風車/使風車進行轉(zhuǎn)動，并通過增速機來增加風車轉(zhuǎn)速，提供充足的動力供發(fā)電機運轉(zhuǎn)而進行發(fā)電。按照目前的風車技術(shù)，只需每秒三公尺的風速就可進行發(fā)電了。由于風力發(fā)電既不需要燃料、又不會對自然環(huán)境進行破壞，因此逐漸成為國內(nèi)最主要的發(fā)電手段之一。尤其在國家強調(diào)對長江共抓大保護、不搞大開發(fā)的今天，風力發(fā)電的地位也就格外突出。

1.2 風力發(fā)電在我國的運用前景

我國近年來隨著經(jīng)濟發(fā)展而造成的用電需求的不斷上升，再加上全社會對清潔能源方面的需求，使風力發(fā)電越來越受到全社會的重視。所以現(xiàn)在各地都在著手興修風力發(fā)電站，并著手擴大風力發(fā)電站規(guī)模。從我國現(xiàn)階段所開展的風能資源評估來看，國內(nèi)的可利用風能資源大約達十億千瓦左右，所以風力發(fā)電在我國的運用前景是很廣闊的。

1.3 我國現(xiàn)階段在風力發(fā)電當中存在的問題

可以說，風力發(fā)電最大的優(yōu)勢在于發(fā)電的過程當中對自然環(huán)境無污染、無破壞，且具有良好的持續(xù)性。但風力發(fā)電中也存在著不少需要突破的地方。最主要在于風能本身具有的缺陷——風能無法像水能和燃料等那樣進行儲存，完全依賴于現(xiàn)場儲存。由于這些缺陷的存在，導(dǎo)致了風力發(fā)電對于電網(wǎng)及電能質(zhì)量具有較大的影響。比如，風向的改變和風速具有較大的隨機性，都不是人為可控的，能量密度相對偏低。這也導(dǎo)致風力發(fā)電的穩(wěn)定性相對來說不如其他的發(fā)電方式。這樣，當電網(wǎng)的規(guī)模較大時，電能質(zhì)量也容易受到較明顯的影響。這樣的現(xiàn)狀顯然對風力發(fā)電水平的進一步提高和進一步推廣帶來不利影響。

正是因為風力發(fā)電的上述特性，所以風力發(fā)電的質(zhì)量，非常有賴于設(shè)備的技術(shù)水平。然而，發(fā)電設(shè)備本身也是一個較為復(fù)雜的技術(shù)平臺，不可能直接控制風力發(fā)電的過程。

現(xiàn)在，我國的風力發(fā)電系統(tǒng)由線性和非線性兩種模式組成。其中，前者通常會延續(xù)傳統(tǒng)的控制模式，但這種做法很難滿足我國現(xiàn)階段風力發(fā)電的需求，影響了我國風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。最主要在于，通過線性模式要想捕獲較多的風能，需首先對發(fā)電機進行調(diào)節(jié)。雖然這種方式比較簡便，但從操作的范圍和環(huán)境來看，同非線性模式之間有著較大的區(qū)別。而若沿用傳統(tǒng)的控制模式的話，是很難滿足發(fā)電的需要的。而相比之下，非線性模式的可控性有著明顯的改觀。尤其是通過人工智能的有效運用，更是大大的提升了風力發(fā)電系統(tǒng)的可控程度。所以，開發(fā)出基于非線性模式的風力發(fā)電系統(tǒng)，將是未來的出路。

2 電氣控制技術(shù)方面的要點[1]

2.1 電氣控制技術(shù)的重要性

在風力發(fā)電系統(tǒng)當中，電氣控制技術(shù)能確保發(fā)電機組的安全、高效和可靠的進行運轉(zhuǎn)：首先，風速的大小、方向，很容易受到一些外界因素如氣壓、氣溫、溫度，或風電場地形地貌等的隨機性影響。使風速容易不可控。那么獲得的風能也就充滿了不可控因素。而采取電力控制技術(shù)，可提升風能的可控性，提高風力發(fā)電的穩(wěn)定性。

其次，風力發(fā)電系統(tǒng)效率主要通過風能利用率進行衡量。為了盡可能的提高風能利用率，通常設(shè)置的風力發(fā)電機葉片直徑在60～100m 的范圍內(nèi)，這也給風輪帶來了較大的轉(zhuǎn)動慣量；再次，采取電力控制技術(shù)，可讓風力發(fā)電機組在進行并、脫網(wǎng)，對輸入功率開展優(yōu)化、限制，對風輪主動對風、開展運行故障檢測、保護工作等環(huán)節(jié)當中，都能夠取得令人滿意的效果。

根管充填即刻質(zhì)量評價標準[1]（1）適充：根充材料距解剖根尖≤2mm,根管三維充填封閉嚴密；（2）超充：根管充填材料超出根尖孔；（3）欠充：根充材料距解剖根尖＞2mm或者根管三維充填不嚴密，X線顯示根充物不致密。

最后，由于風力發(fā)電系統(tǒng)所處的地區(qū)一般風力資源豐富，但環(huán)境一般比較惡劣，風力發(fā)電既一般也處于分散分布的狀態(tài)。這導(dǎo)致了給現(xiàn)場控制帶來困難，影響了系統(tǒng)的可靠性。因此目前在趨勢就在于在風力發(fā)電系統(tǒng)當中引入遠程監(jiān)控設(shè)備，增強風力發(fā)電系統(tǒng)的可控性。這也同樣需引入電力控制技術(shù)，優(yōu)化風力發(fā)電機組的運轉(zhuǎn)水平。

目前這一課題引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，比如將計算機控制系統(tǒng)等先進的控制平臺有效運用在風力發(fā)電當中，發(fā)展和優(yōu)化并網(wǎng)運行技術(shù)，實現(xiàn)控制手段的優(yōu)化，從過去單一的定槳距失速控制，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樽儤?、變速恒頻控制的手段，最終實現(xiàn)智能控制。

2.2 介紹兩種風力發(fā)電設(shè)備各自的特點

2.2.1 定槳距型風力機組

這是指的槳葉、輪轂之間進行固定連接的一種風力發(fā)電機。不管風速是變快還是會變慢，槳葉迎風角度仍然一直處于固定狀態(tài)。失速型指的是在風速比額定風速快時，通過槳葉翼型所特有的失速特性，也就是讓氣流的攻角提高至失速條件，讓槳葉表面出現(xiàn)渦流從而控制發(fā)電機功率，將其輸出進行一定程度的限制。

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和使用要領(lǐng)既簡單又可靠。一旦風速改變造成了輸出功率的改變，無需調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，只需運用槳葉的被動失速功能就可進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的簡化。然而，這種做法的弊端在于，葉片的重量較大，一些部件如槳葉、輪轂、塔架等需要承受較大的力矩，導(dǎo)致了整體效率偏低，也提高了這些關(guān)鍵部件的疲勞磨損率。

2.2.2 變速恒頻風力發(fā)電機組

這是近年得到廣泛發(fā)展的一類全新的風力發(fā)電系統(tǒng)。其最大的優(yōu)勢在于，其轉(zhuǎn)速與發(fā)電機的輸出功率無關(guān)，在輸出電壓的頻率、幅值和相位上不會因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速而發(fā)生改變。相比起恒速機組相比，其體現(xiàn)的優(yōu)越性是：當風速較低，能對風速變化進行跟蹤。運行當中最佳葉尖速比能夠保持恒定，使最大風能不受影響；如外界的風速較高，則將風輪的轉(zhuǎn)速進行改變，從而實現(xiàn)針對機槳距角進行的調(diào)節(jié)。這樣不僅能在確保機組運轉(zhuǎn)的安全性和穩(wěn)定性，確保了輸出功率的平穩(wěn)性。

此類機組的最佳運行狀態(tài)的實現(xiàn)，是通過進行勵磁控制和變槳距調(diào)節(jié)來完成的。其控制發(fā)電機輸出功率的原理在于，從風速、發(fā)電機轉(zhuǎn)速出發(fā)，對葉片槳距角進行調(diào)節(jié)?，F(xiàn)在，伴隨風電控制技術(shù)的升級，如系統(tǒng)的輸出功率小于額定功率時，基于具體的風速大小，將發(fā)電機轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)到與之匹配的程度。從而讓最佳葉尖速比盡可能不被破壞，讓輸出功率盡可能在合理的范圍內(nèi)，從而持續(xù)實現(xiàn)平穩(wěn)性。在到達額定點后，風能利用的系數(shù)屬于較高的狀態(tài)，起動、制動方面都比較靈敏，這樣設(shè)備處于高風速段的額定功率都能盡可能得到保證。

2.3 電氣控制技術(shù)的主要策略

風能的可控性相對較差，能量密度相對偏低。因風速和風向無法人為控制，風力發(fā)電設(shè)備的葉片攻角也會不斷變化，容易造成發(fā)電效率的下降和轉(zhuǎn)矩傳動鏈發(fā)生震蕩，給電能的質(zhì)量、電網(wǎng)的接入都帶來不利因素。對于風力發(fā)電設(shè)備來說，為降低其內(nèi)部的機械應(yīng)力，一般選用柔性部件。然而這樣的結(jié)構(gòu)也易造成系統(tǒng)的動態(tài)特性較為復(fù)雜和給轉(zhuǎn)矩傳動模塊造成的震蕩。現(xiàn)階段從風力發(fā)電設(shè)備的電氣控制技術(shù)控制策略分為傳統(tǒng)和現(xiàn)代兩種控制手段。

2.3.1 線性控制手段

其中，傳統(tǒng)的控制手段同線性控制相匹配，其對于電磁轉(zhuǎn)矩或槳葉節(jié)距角進行有效控制而確保葉尖速比處于最優(yōu)值，來有效地捕獲風能。但相對不利于對風速處于快速變化狀態(tài)下的調(diào)節(jié)。另外，在風力發(fā)電設(shè)備的工作范圍較寬、隨機擾動較大、容易出現(xiàn)不確定因素且非線性較嚴重的前提下，是不合適的。

2.3.2 非線性控制手段

其中，變結(jié)構(gòu)控制的優(yōu)勢在于響應(yīng)迅捷、不容易受系統(tǒng)參數(shù)變化的影響、設(shè)計較為簡便等，所以在風力發(fā)電當中的運用十分廣泛。而魯棒控制則穩(wěn)定性十分理想，對于多變量問題處理效果較強，尤其適用于那些有著在建模上存在誤差、參數(shù)準確度低的控制問題及對干擾位置系統(tǒng)的控制問題。

關(guān)于智能控制，典型的方式有模糊控制，其能夠有效地將專業(yè)性的知識經(jīng)驗，轉(zhuǎn)化為語言規(guī)則，從而開展控制。通過其能夠建立起對被控制對象的無依賴性的、精確度較高的數(shù)學(xué)模型，將非線性因素帶來的影響減少到最低，使被調(diào)節(jié)對象產(chǎn)生較理想的魯棒性。特別是通過前面所述的手段，難以建立風力發(fā)電機的精確數(shù)學(xué)模型，這個問題可以通過模糊控制來進行解決。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則需運用工程技術(shù)手段對人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、特征等進行模擬，通過神經(jīng)元，可以形成多種多樣基于拓撲結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模擬出接近于生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。從而通過這一特性，突破低風速下對節(jié)距控制的難點。

下面分別分析非線性控制手段當中的不同要點。

2.4 捕捉最大功率

這個環(huán)節(jié)需要結(jié)合具體的風速來進行。對此可將發(fā)電設(shè)備根據(jù)風速的不同，分別劃分為低、高兩種風速的設(shè)備。隨后對其分別的最大風能開展捕捉計算，就能得出各自進行發(fā)電的最大功率。對比起傳統(tǒng)的控制技術(shù)來，其靈活性相當可觀，能基于實際控制的需要將機組實際運轉(zhuǎn)狀況的數(shù)據(jù)靈活進行變換，以達成穩(wěn)定的指標，并把運行當中產(chǎn)生誤差壓縮到最低水平。

在這個環(huán)節(jié)里，當設(shè)計選擇控制器的時候需注意的指標是，控制器必須確保系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)當中，其超調(diào)量及平均風速分別在3×105W 和9m/s 以下，運行誤差在2000W～4000W 之間。符合了上述要求才能夠在系統(tǒng)當中進行使用。

2.5 捕捉不確定風速測量下的功率

在測量風速時產(chǎn)生的噪音等容易給測量帶來不確定因素。所以就要用到跟蹤器，來著手測量風速當中的變化。在不知氣動轉(zhuǎn)軸的前提下，通過自適用控制器來識別系統(tǒng)當中的相關(guān)參數(shù)。通過該手段，一開始無需熟悉系統(tǒng)數(shù)據(jù)就可以直接開展識別。若不知系統(tǒng)中的啟動轉(zhuǎn)矩，則可以利用在線學(xué)習(xí)器對系統(tǒng)中氣動轉(zhuǎn)軸的變化進行測量，并將測量結(jié)果制定成一個動態(tài)變化圖，以免控制器在運行過程中對其出現(xiàn)的依賴。

2.6 雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機控制

分別由有功、無功調(diào)節(jié)組成。這其中，前一種的控制目標是讓系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)過程當中收獲更多的能量，而后一種的控制目標則是從實際的需要出發(fā)去制定一定的無功功率。這個環(huán)節(jié)里也要做到測量系統(tǒng)當中的無功功率軌跡。其能夠隨時針對于監(jiān)控系統(tǒng)運轉(zhuǎn)狀態(tài)進行跟蹤，對其運轉(zhuǎn)當中的不良情況及時做出預(yù)警。在對該系統(tǒng)中的風力發(fā)電機進行控制計算的過程中，主要采用的算法為上下界誤差算法，利用這種算法能夠?qū)o功以及有功兩種類型的系統(tǒng)進行控制計算，這種方式能夠提高系統(tǒng)整體的運行效率。

2.7 非線性自適應(yīng)變槳控制

其主要針對的是在高風時段系統(tǒng)中的控制問題。在此過程中需將發(fā)電機中的轉(zhuǎn)矩維持在一個穩(wěn)定狀態(tài)，通過對系統(tǒng)中漿距進行調(diào)節(jié)的方式對系統(tǒng)進行跟蹤測量。該方式能對機組中的發(fā)電功率進行限制，確保機組運轉(zhuǎn)當中的安全性。但是在該階段，由于運行環(huán)境容易發(fā)生變化，在建立仿真模型當中，無法將顯示變量作為主要的控制信號，給仿真系統(tǒng)的建立帶來困難。為此，有關(guān)人員在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)的基礎(chǔ)上制定了一種智能變槳方法，這樣不僅能夠有效管理系統(tǒng)的不確定因素，還能將系統(tǒng)中的風輪轉(zhuǎn)速保持在一定的范圍內(nèi)。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著經(jīng)濟發(fā)展，對各種新型能源進行有效的挖掘、開發(fā)和運用，成為擺在面前一道重要的課題。同時，建設(shè)生態(tài)環(huán)保型社會的要求，也意味著要選用那些較為清潔、環(huán)保的能源。為此可以從積極開發(fā)風力發(fā)電這個角度入手，不斷的實現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)升級，提升其電氣控制的質(zhì)量，來優(yōu)化風力發(fā)電手段，以滿足社會對于能源產(chǎn)業(yè)的需求。