關于大型風力發(fā)電機組控制技術分析

新疆華電葦湖梁新能源有限公司 孟 莉

風能供電方式的產生優(yōu)化了產業(yè)結構，風能取之不盡、用之不竭，具有較強的安全性，故在實際生活中得到了廣泛的應用。

1 風機發(fā)電機組工作原理

風力發(fā)電所帶來的能量轉換與風機運行系數(shù)成正比，風機運行系數(shù)越高所獲得的能量轉換數(shù)值越大，高效的風機運行更能保持良好的捕獲風能功能。而持續(xù)高速運轉的風能捕獲系數(shù)與風速和風輪的轉速密切相關，當風速轉速處于最低值時，風力發(fā)電機組相應的提高風輪轉速以確保風能捕獲的有效性。但基于現(xiàn)實情況考慮，受各部件運行方式制約，發(fā)電機組的轉速無法做到持續(xù)的加速或緩沖，當風速無限接近于最小值或最大值時，發(fā)電機組須保持最高上限或最低值域勻速輪轉，因此在這一階段內的發(fā)電功率同樣維持勻速不變，當出現(xiàn)風速過快超越上限值域時就要發(fā)揮變槳系統(tǒng)的作用，通過變槳達到風輪轉速和發(fā)電功率目的，這就是風力發(fā)電機組的基本控制原理。

風力發(fā)電機組是各個部件的總稱。其中包含各式各樣可直接參與或間接參與風力發(fā)電工作的組件，各個部件間的功能是相互銜接的，彼此起到了一定的輔助和保護作用，提高了風力發(fā)電機組整體保障性與安全性，實現(xiàn)了風力發(fā)電機組的有效工作。

1.1 風力機

風力機是將風能轉化為機械能的物質基礎，并通過機械能帶動相關裝置，通過發(fā)電機旋轉進而轉化為電能。風力機分為不同的種類，其中較常見及較廣的風力機類型是水平軸式風力機和垂直軸式風力機。目前我國風力發(fā)電機領域應用較多的是水平軸式風力機，其通常又包括了上風向型風力機和下風向型風力機，上風向型風力機主要特點是可醒目地看見風輪葉片、位置在前；下風向型風力機則相反[1]。因二者物理性特點，上風向型風力機運轉起來更加方便快捷，所以在大型風力發(fā)電機組的硬件應用中更加常見。常見的風力機還有單葉片式風力機、雙葉片式風力機、三葉片式風力機及多葉片式風力機等，可根據風輪葉片的數(shù)目進行區(qū)分，目前最常見的風力機類型是三葉片式風力機。對于風力機的劃分仍有不同標準，不予贅述。

在風力機正常運轉情況下也不能將風能百分之百地有效利用，所以只能盡可能地實現(xiàn)風力機對風能的最大捕獲量。葉片是風力機的組成部分，對于葉片材料的選擇經歷了很長一段時間技術上的進步，當前比較適用于葉片制造的材料主要是鋁材、玻璃纖維和碳纖維復合材料。葉片的工作具有切實的理論依據，葉片裝置的曲線設計很好地利用壓力的作用，使自然的力量轉化為人為所用。因為在葉片的上橫面和下橫面都存在一定的壓力，二者之間的壓力差能夠使葉片產生一定的凈升力，凈升力的作用能夠使風力機旋轉，以此帶動風力發(fā)電機組的整體工作。

1.2 發(fā)電機

發(fā)電機是風力發(fā)電機組工作的核心動力，通過發(fā)電機機械能轉化為動能，再運用到實際的操作系統(tǒng)中。隨著時代的進步，各行業(yè)對電力供給水平需求的不斷提高，風力發(fā)電技術也在不斷發(fā)展，并作為一種清潔能源在電力市場始終占有一席之地。風力發(fā)電機從最初的定速恒頻技術發(fā)展到現(xiàn)如今的變速恒頻技術，再通過調整發(fā)電機的運行方式，使先進的技術逐步應用到了風力發(fā)電機組的工作當中，當下應用較多的風力發(fā)電機類型主要有籠型異步發(fā)電機、雙饋異步發(fā)電機、多極同步發(fā)電機等[2]。

不同發(fā)電機的形態(tài)體現(xiàn)了其獨有的特點。如：籠型異步發(fā)電機更加堅固，使用壽命較其他發(fā)電機相對較長、價格經濟，簡單的構造降低了其維修成本，在實際的應用中廣受歡迎，是絕大多數(shù)相關應用人員的首選；隨著技術的不斷推進，雙饋異步發(fā)電機逐漸占據了市場份額，主要特點是：直接通過功率變流器使電子與電網相連接，相較之前的技術而言減少了不必要的工作程序，提高了發(fā)電機組的運行效率，在同等風速運行速度不變的情況下，可捕捉到更多可有效利用的風能，同時可利用電網中電壓運行的獨特方式控制電網的運行狀態(tài)，保證其在運行過程中的穩(wěn)定性。

多極同步發(fā)電機是一個相對籠統(tǒng)的概念，同步發(fā)電機因其獨特的結構形態(tài)使其十分符合直驅式風力機的工作模式，因此多極同步發(fā)電機的分支結構中，繞線轉子同步發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機最具有使用價值，且提高了功率上限，為實操工作中提供了便利，被譽為是新一代發(fā)電機組技術。同以往的發(fā)電機相比，永磁同步發(fā)電機更能提高工作效率，在同樣的工作時間內，功率密度及相關工作效益都得到了不同程度的提升。在近年來的發(fā)電機應用技術當中，永磁同步發(fā)電機更加適配于風力發(fā)電機組的運行工作，且在未來的、可預見的一定時期內較其他種類的發(fā)電機更具有綜合優(yōu)勢。

1.3 其他輔助機構

其他輔助機構在大型風力機組的運行中起到了重要的支撐作用，本文主要闡述以下幾種。

1.3.1 齒輪箱

大型風力機組的風輪運行速度的正常值比發(fā)電機自身的運轉速度要低。風力發(fā)電等級具有不同的級別類型，根據不同類型的風力發(fā)電機的轉速頻率設置齒輪箱，以保障風輪的轉速保持在一個額定的運行范圍內，并能夠適應大電機自身的轉速，達到二者的相互配合。

1.3.2 機械制動機

有兩種作用方式：一是機械制動機通常作用于發(fā)電機與齒輪箱之間，利用高速軸將二者連接起來；二是通過低速軸的力量分別作用在風力機與齒輪箱之間。兩者不同的作用方式在本質上沒有明顯區(qū)別，但利用高速軸的作用更優(yōu)于后者，可降低制動轉矩。機械制動機的主要作用是輔助完成停機操作，保證風力機在進入停機操作的過程中各部件間的相互配合，對風力機起到一個輔助保護的作用。

偏航控制系統(tǒng)。其主要作用是在迎風面時對風力機起到保持平衡的作用，以有效地捕獲風能。偏航控制系統(tǒng)包含了多個部分，主要由電動機驅動系統(tǒng)、偏航齒輪、輪齒輪緣和軸承組成[3]。

風向風速傳感器。在發(fā)電機的正常工作中，需要通過勘測風速和風向，以確定葉片應具備的運轉角度，在這個過程中風向風速傳感器就起到了觀察勘測的作用。同時，偏航控制系統(tǒng)需要將風力機有效地保持在迎風面上，風力機才可根據實際的風速調節(jié)自身發(fā)電機的轉速，在一系列工作得到有效運營時，風力機才能最大程度上捕獲風能，確定風能利用的有效性。因此，在大型風力機的硬件設施中都會裝有風速計，通過對風速數(shù)據的測量，提供給控制系統(tǒng)實際的參考。在風速、風向相關信息的測量中，需要做好多方面充足的準備，對于傳感器、偏航控制系統(tǒng)等起到重要作用的硬件設施，須嚴格依照要求準確安裝在相應的位置上，通過達到測量數(shù)據的準確性來保證大型風力發(fā)電機在實際工作中的安全性。

2 控制算法理論

本文主要研究控制算法包括自適應反步控制算法和無源控制算法兩種。根據兩種控制算法的不同模式，設計與應用了適用于兩種算法的電機模型并通過仿真案例體現(xiàn)出來。

2.1 自適應反步控制算法

上文中提到，在同等風速下，通過調整風力機的運轉速度以及確定合理葉片角度與速度來最大程度地捕獲風能，并提高捕獲風能的可利用性。在這里主要體現(xiàn)的是電機的主要作用在于對轉速和磁鏈起到一定的控制作用，來達到對整體環(huán)境的追蹤與控制。

對于大型風力發(fā)電機組控制技術的研究，需要對自適應反步法的編程進行研究，目前針對相關技術生產能夠達到最成熟、最有利的控制研究的是美國德州儀器生產公司的TMS320C2000DSP平臺，C2000系列芯片有大量的外設資源，例如WATCHDOG、CAN總線、數(shù)字IO腳等[4]。但在大多數(shù)的使用情況中，一般會根據實際情況選擇更加適用于電機控制的外設資源。多種型號的生產部件為大型風力發(fā)電機提供了可選擇的多種設置模式，可在不斷地比較中選取最適合操作的、安全及運行性能最好的外設裝置。但隨著清潔能源需求量的與日俱增，各種算法編程的技術也愈發(fā)先進，操作也更加便捷，便于裝置的開發(fā)與應用。自適應反步算法的步驟：初始化-讀取被測量-控制輸出計算-參數(shù)自適應計算-輸出。

由此，各項參數(shù)的計算與應用就具備了基本的應用程序。在自適應反步控制算法中，為控制計算中的估量與變數(shù)提供了實際可靠的參數(shù)，并提高自適應估算中參數(shù)變化的真實性。

2.2 無源控制算法

在無源控制算法中需考慮風速與額定風速的關系。一旦實際風速高于額定風速時，就會導致風力機捕獲的風能過大，不能為自身所轉化應用，就會加大風力機運行工作中的壓力，因此就需對風力機在風能捕獲中的功率。具體可參照以下做法：觀測葉片的運行規(guī)律，對葉片與葉片之間的距離進行調節(jié)與測試，從而達到通過葉片改變空氣動力學的作用力與特性。據實驗可得：無源控制算法在實際的操作過程中具有更加突出的作用，在反應速度、控制輸出等方面都具有較高的效果。

通過以上的論述研究可發(fā)現(xiàn)，無論自適應反步控制算法還是無源控制算法，都是相對于側重控制算法的研究。但在自適應反步控制算法中，反步法的控制設計比較復雜，需要考慮多方面因素，如多變量系統(tǒng)、高階子系統(tǒng)等。因此造成了其控制率復雜、計算量大等特點。而在無源控制系統(tǒng)中，無源控制理論在實際的應用過程中更加具有實效意義，提供給運行工作中更加直觀清晰的工作設計思路。

3 風能利用效果

據有效實驗證明，在風速較低時能夠最大的捕獲風能。在仿真環(huán)境中，當?shù)惋L速經過時對同時段的風力發(fā)電機組的控制器進行精準的比較研究，結果顯示，添加控制器前后在有效風能利用率上具有一定的差異。在安裝控制器后對于風能的節(jié)約與利用都有提升，因而安裝控制器對提升大型風力發(fā)電機組的工作效率具有積極作用，應用于成百上千的大型風力發(fā)電機組當中，是切實可行的方案，且數(shù)據可觀。

在安裝控制器后并沒有對原始的結構作出明顯的改動，雖然增加了控制作用，增加了風力發(fā)電機組的風能捕獲量，但這種控制方式同時也增加了判斷方式的繁瑣性，由于對物理參數(shù)的過分依賴，使得在長期的運轉過程中容易出現(xiàn)程序計算錯誤，導致偏差值出現(xiàn)的情況發(fā)生。在實際的工作中，對控制器進行定期的檢查與調整，以保證風力發(fā)電機組工作的正常運行。

其中有一部分仿真環(huán)節(jié)證明，在風速較低的時段內調整了單臺風力發(fā)電機的功率控制器。在常見的間接轉速功率與變槳變矩調整策略中，發(fā)動機的運行狀態(tài)基本保持不變[5]。其原因如下：以上兩種調整策略采用了相同編排方式，都需依附于中央控制的控制作用，通過中央控制器下達指令，依據相關功率值作為參考來得到計算結果。在眾多調整策略當中，變槳變矩聯(lián)合調整策略對發(fā)電機轉速的影響較大，會使原有發(fā)電機的轉速產生波動，但依舊可保持一個相對安全的整體趨勢，在實際的應用過程中并無危險。因此，在可變速的風力發(fā)電機中，處于低風速時段內的運轉不會出現(xiàn)超過限定速度的情況發(fā)生，所產生的轉速波動也不會為發(fā)電機造成過大的運行壓力。

由此可得，為風力發(fā)電機提供了相應的控制環(huán)節(jié)之后，不僅能夠提升風能捕獲量，增加已捕獲峰能力的利用效率，且對于大規(guī)模的大型風力發(fā)電機組來說可帶來較為可觀的能量提升。與此同時，周圍風速波動影響較大的情況發(fā)生時，可提供給風力發(fā)電機組比較可靠的運轉工作思路，有助于對風力發(fā)電機組的優(yōu)化與提升，并為在能夠節(jié)約資源的前提下捕獲相對充足的風能提供了理論思路，具有一定的參考價值。