大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率與載荷協(xié)同控制的優(yōu)化方法探究

李露

摘要：當(dāng)前，人們對(duì)能源的需求量仍在增加，但也導(dǎo)致了一系列的能源問(wèn)題，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響。這種情況下，環(huán)保新能源得到了有效運(yùn)用，尤其是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)?；诖?，本文首先明確風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的價(jià)值，然后分析大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率與荷載控制現(xiàn)狀，最后分析功率與荷載的協(xié)同控制優(yōu)化措施，旨在實(shí)現(xiàn)二者之間的協(xié)調(diào)發(fā)展，有效控制不穩(wěn)定情況下的荷載，實(shí)現(xiàn)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；功率；荷載

當(dāng)前，在社會(huì)快速發(fā)展的情況下，傳統(tǒng)化石能源已逐漸消耗殆盡，且化石能源在燃燒過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到環(huán)境保護(hù)的重要性，不斷開(kāi)發(fā)新型清潔能源，以此緩解能源危機(jī)以及環(huán)境污染等問(wèn)題。新能源已成為今后能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，得到了社會(huì)的廣泛關(guān)注。有效利用風(fēng)能與我國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)相吻合，而大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為風(fēng)能發(fā)電的重要組成部分，其運(yùn)行管理也得到了廣泛關(guān)注。

一、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)運(yùn)用價(jià)值

風(fēng)能屬于清潔能源，空氣流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生風(fēng)能，因此可以將其作為可再生能源。當(dāng)前，風(fēng)能發(fā)電已成為當(dāng)前風(fēng)能利用的主要渠道，隨著風(fēng)能發(fā)電技術(shù)水平逐漸提升，其具有成本可控以及操作便捷的優(yōu)點(diǎn)，已得到社會(huì)各界的廣泛認(rèn)可。我國(guó)發(fā)電機(jī)組在容量得到大幅度增長(zhǎng)之外，覆蓋范圍也實(shí)現(xiàn)了有效拓展，當(dāng)前已覆蓋西北和東北大部分地區(qū)，這些地區(qū)的風(fēng)能資源較為豐富，也為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝和運(yùn)行提供了有利條件。除此之外，我國(guó)逐漸加強(qiáng)在沿海和海上地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建設(shè)力度，充分運(yùn)用我國(guó)淺灘以及近海附近的風(fēng)力資源，并制定了相應(yīng)的管理?xiàng)l例和暫行辦法，從中能夠看出，風(fēng)力發(fā)電已成為我國(guó)今后電力資源開(kāi)發(fā)的主要方向。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)能發(fā)電中的核心裝置，正常運(yùn)行需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娘L(fēng)電控制系統(tǒng)予以支撐，既要確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行，又要提高風(fēng)能的捕獲效率，提高發(fā)電效率。同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)督機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，確保各環(huán)節(jié)的零部件荷載在承受范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)組能在生命周期內(nèi)安全運(yùn)行。風(fēng)速具有隨機(jī)性和瞬變性，因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組零部件在實(shí)際運(yùn)行中，始終處于較疲勞的狀態(tài)，該種情況會(huì)增加機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行成本，造成損耗率上升。針對(duì)這一現(xiàn)象，可以對(duì)發(fā)電機(jī)組的功率和荷載進(jìn)行協(xié)同控制，這對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組日后的持續(xù)運(yùn)行而言具有重要作用。

二、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率與荷載控制現(xiàn)狀

（一）功率控制現(xiàn)狀

機(jī)組功率控制的最終目標(biāo)為在實(shí)際風(fēng)速小于額定風(fēng)速的狀態(tài)下，通過(guò)最大功率追蹤控制策略管理風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大風(fēng)功率，主要包括以下方法：

第一，最優(yōu)葉尖速比控制策略。該策略在實(shí)際操作中，要根據(jù)風(fēng)速的實(shí)際變化情況控制葉尖速比，使其能保持最佳運(yùn)行狀態(tài)，確保機(jī)組在任何風(fēng)速中都能實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大利用。該種方法在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，簡(jiǎn)單方便，能在準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)速的同時(shí)使用控制器完成控制。

第二，功率信號(hào)反饋控制策略。該方法要先測(cè)量大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，再利用最大風(fēng)功率曲線確定轉(zhuǎn)速最大輸出功率，將其與電功率數(shù)據(jù)對(duì)比，確定誤差曲線，最終通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行控制。該種方法的優(yōu)勢(shì)是不必準(zhǔn)確量測(cè)風(fēng)速，可以降低發(fā)生誤差的概率，但要掌握大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線。在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)參數(shù)變化，導(dǎo)致最終數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性降低。同時(shí)，在測(cè)量風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速階段，會(huì)增加設(shè)備使用成本。

第三，分段控制方法。這是在傳統(tǒng)風(fēng)能捕捉策略基礎(chǔ)上形成的新策略，在運(yùn)用中能充分利用系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程以及風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn)，通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制轉(zhuǎn)矩，即使不增加系統(tǒng)荷載，也能實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的有效捕獲。

（二）荷載控制現(xiàn)狀

1.葉片荷載分類(lèi)

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中葉片荷載可以大致分為兩種類(lèi)型：

第一，葉片機(jī)械荷載。機(jī)械荷載中包含疲勞荷載以及極限荷載。疲勞荷載屬于風(fēng)機(jī)荷載，主要指的是發(fā)電機(jī)組在正常運(yùn)行的狀態(tài)下，設(shè)備零部件受到荷載長(zhǎng)期影響，零件出現(xiàn)損壞甚至毀壞的情況。風(fēng)機(jī)設(shè)備長(zhǎng)期處于該種情況下，疲勞荷載量快速增加，嚴(yán)重情況下會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷的情況。一旦大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期在風(fēng)速不確定或強(qiáng)烈陣風(fēng)的條件下運(yùn)行，風(fēng)速對(duì)葉片瞬間的沖擊會(huì)使葉片以及其他零件出現(xiàn)疲勞荷載，導(dǎo)致葉片出現(xiàn)斷裂等現(xiàn)象。對(duì)此，可以采用靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的方法，增加安全系數(shù)閾值，確保大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行。

極限荷載是保證機(jī)組長(zhǎng)期在安全范圍之內(nèi)運(yùn)行荷載的最大值，要想確保機(jī)組安全運(yùn)行，葉片設(shè)計(jì)階段就要全面分析極限荷載問(wèn)題。由于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片荷載具有較大的隨機(jī)性，不能僅使用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行定義，還需要通過(guò)概率統(tǒng)計(jì)的方式，對(duì)極限荷載進(jìn)行分類(lèi)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同類(lèi)型，制定有針對(duì)性的控制措施。

第二，葉片空氣動(dòng)力荷載。葉片是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的主要部件，無(wú)論處于何種風(fēng)速、何種運(yùn)行狀態(tài)下，葉片中都存在多種形式的力矩作用。其中，空氣動(dòng)力是風(fēng)輪葉片承受的主要作用力，分析葉片荷載對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組荷載控制非常重要。通常情況下，葉片中的作用力分為動(dòng)力、重力以及慣性力三種類(lèi)型，其中，空氣動(dòng)力是葉片主要承載力，重力產(chǎn)生的荷載指的是在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，葉片在擺振方向根據(jù)周期變化產(chǎn)生力的總和。

2.葉片荷載控制方法

隨著發(fā)電機(jī)組容量增加，要想充分發(fā)揮電機(jī)的作用，需要增加機(jī)組葉片的尺寸。葉片是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵零件，在得到風(fēng)能的過(guò)程中，會(huì)受到較大的氣動(dòng)荷載沖擊。同時(shí)，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中其他設(shè)備受到的荷載，多數(shù)是葉片氣動(dòng)荷載，因此，葉片是實(shí)現(xiàn)荷載控制的關(guān)鍵。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片，從最初的設(shè)計(jì)到最后實(shí)際運(yùn)用和維護(hù)處理包括大量不同領(lǐng)域的學(xué)科知識(shí)，例如，空氣動(dòng)力學(xué)、電氣學(xué)以及材料學(xué)等，所以這一過(guò)程較為復(fù)雜。要想確保葉片在實(shí)際運(yùn)行中的質(zhì)量，則要從多個(gè)領(lǐng)域入手。在風(fēng)能使用的初期階段，葉片制作材料較為簡(jiǎn)單，主要是木頭以及草片等；在工業(yè)革命和科技革命后，對(duì)風(fēng)能的需求量持續(xù)增加，葉片在制作中也不斷發(fā)展；發(fā)展到現(xiàn)在，玻璃纖維和碳纖維是葉片的主要制作材料，在實(shí)際運(yùn)用的過(guò)程中具有安裝難度小、價(jià)格低、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。

在確定葉片材料之后，要分析討論葉片的荷載問(wèn)題，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中狀態(tài)不同，采用的控制方式也會(huì)不同，每個(gè)方式都要將機(jī)組運(yùn)行參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。因此，在計(jì)算荷載的過(guò)程中，要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)流程，利用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算葉片荷載量。

在控制荷載的過(guò)程中，將主動(dòng)控制作為關(guān)鍵點(diǎn)，并通過(guò)閉環(huán)控制的方式實(shí)現(xiàn)，建立輸出反饋回路，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，通過(guò)調(diào)整輸入量的方式調(diào)整系統(tǒng)，變更結(jié)構(gòu)等各項(xiàng)參數(shù)，以此確保在系統(tǒng)沒(méi)有達(dá)到動(dòng)態(tài)特性模式前始終處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

三、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率與荷載協(xié)同控制優(yōu)化措施

當(dāng)前，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)處于不斷提升階段，且單機(jī)容量處于持續(xù)增長(zhǎng)階段，已達(dá)到MW級(jí)別，隨著技術(shù)發(fā)展，容量處于持續(xù)提升階段。另外，海上風(fēng)電已出現(xiàn)，對(duì)于前海以及沿海灘風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的需求逐漸增加。但大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部較為復(fù)雜，包含多個(gè)領(lǐng)域的相互融合，需要在確保輸出功率最大的同時(shí)，有效控制葉片荷載，這對(duì)實(shí)現(xiàn)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行而言具有非常重要的作用。

（一）功率控制優(yōu)化

1.功率優(yōu)化措施分類(lèi)

根據(jù)上述內(nèi)容，在優(yōu)化大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率控制的過(guò)程中，可以從以下方面入手：

第一，最佳葉尖速比優(yōu)化策略。該策略的關(guān)鍵是測(cè)量電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速以及輸出功率，將其作為電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的參考條件，從而有效控制最佳葉尖速比。

第二，爬山搜索控制優(yōu)化策略。該種控制措施主要通過(guò)不斷改變的控制策略方式，針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速擾動(dòng)量，在一定范圍內(nèi)搜索最大風(fēng)功率。如果大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率曲線處于上升趨勢(shì)，表示輸出功率仍存在上升空間，該種情況下電機(jī)轉(zhuǎn)速擾動(dòng)量的數(shù)值為正數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)速處于增加狀態(tài)，直到達(dá)到最大輸出功率為止。但是如果大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率處于持續(xù)降低的狀態(tài)，說(shuō)明當(dāng)前功率在下降區(qū)域中，電機(jī)擾動(dòng)量為負(fù)數(shù)，需要降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，將大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率提高到最大值。該種方法在慣量小的機(jī)組中具有非常明顯的運(yùn)用效果，在此基礎(chǔ)上，相關(guān)人員又總結(jié)出了變步長(zhǎng)爬山搜索法以及三點(diǎn)比較法，如圖1所示。

2.功率優(yōu)化流程

目前，優(yōu)化大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率的主要途徑主要有：第一，通過(guò)控制槳距角的方式控制源頭功率；第二，控制電機(jī)勵(lì)磁，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電功率的管理優(yōu)化。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)制在正常運(yùn)行情況下，主要分為以下四個(gè)階段：

第一階段，啟動(dòng)階段。在該階段中，機(jī)組從零開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，處于低于切入風(fēng)速階段，機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)仍處于待機(jī)狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)只進(jìn)行機(jī)械旋轉(zhuǎn)，并不做功，不會(huì)產(chǎn)生實(shí)際風(fēng)功率。該階段的主要運(yùn)行目標(biāo)是為下一階段作準(zhǔn)備，如果實(shí)際風(fēng)速大于切入風(fēng)速，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能在短時(shí)間內(nèi)可以調(diào)整發(fā)電機(jī)定子電壓，完成并網(wǎng)。

第二階段，有效風(fēng)能獲取階段。風(fēng)速達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)之后開(kāi)始并網(wǎng)，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將獲得的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，輸送到電網(wǎng)中。該部分風(fēng)速在最低風(fēng)速和標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速之間，而且風(fēng)速存在隨機(jī)性，要想在該階段中實(shí)現(xiàn)有效風(fēng)獲取最大化，需要控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，增加風(fēng)能利用系數(shù)，直到達(dá)到最大值，再進(jìn)入恒轉(zhuǎn)速區(qū)域，在該區(qū)域中可以采取上述控制方法，并根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。

第三階段，恒轉(zhuǎn)速階段。在風(fēng)速增加的狀態(tài)下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值后，電功率在額定值以下，要想始終保持轉(zhuǎn)速恒定，需要提高發(fā)動(dòng)電機(jī)的勵(lì)磁電壓，提升發(fā)動(dòng)機(jī)功率，直到達(dá)到額定功率為止。

第四階段，恒功率階段。在該階段中，實(shí)際風(fēng)速在額定風(fēng)速與最大切出風(fēng)速之間，且風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)處于最大值。如果依舊采用增加勵(lì)磁的方式則無(wú)法實(shí)現(xiàn)全部風(fēng)能的有效轉(zhuǎn)化。對(duì)于這一情況，需要調(diào)整槳距角，降低風(fēng)能吸收量，既能確保功率，還能實(shí)現(xiàn)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行。

（二）荷載控制優(yōu)化

針對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片荷載控制，可以從葉片設(shè)計(jì)以及槳距角控制角度出發(fā)，第一，在葉片設(shè)計(jì)階段，充分考慮葉片在實(shí)際運(yùn)行中存在的影響因素，其中，包括葉片極限荷載的數(shù)值、計(jì)算極限荷載發(fā)生的概率以及葉片疲勞出現(xiàn)的原因等，制定相應(yīng)的解決措施。葉片在完成制造之后，無(wú)論是參數(shù)還是機(jī)械強(qiáng)度，都不會(huì)發(fā)生變化，不能通過(guò)調(diào)整外部條件的方式控制荷載，這也是設(shè)計(jì)調(diào)整中存在的一大弊端。第二，在采取葉片槳距角控制法階段，能實(shí)現(xiàn)在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中控制荷載。此種方法已在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中得到了普遍運(yùn)用，但由于葉片在完成生產(chǎn)后，自身參數(shù)無(wú)法得到有效調(diào)整，只能通過(guò)控制槳距角的方法把葉片在運(yùn)行中的氣動(dòng)荷載信號(hào)傳遞到槳距角控制器，利用控制器調(diào)節(jié)，最終達(dá)到降低葉片荷載的目的。

以上過(guò)程中，準(zhǔn)確測(cè)量葉片氣動(dòng)荷載是進(jìn)行控制的關(guān)鍵，可以在葉片內(nèi)部設(shè)置應(yīng)變片或利用光纖傳感器的方式完成測(cè)量。其中，槳距角控制器使用中，主要功能是將槳距角在規(guī)定角度內(nèi)完成線性化運(yùn)動(dòng)，變化情況與理想角距角數(shù)值具有緊密聯(lián)系，利用其中的反饋功能，將實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)中，相互對(duì)比分析確定反饋誤差，再將反饋誤差情況傳輸?shù)娇刂破髦?，從而有效控制槳距角?/p>

在對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，可以將風(fēng)速引入槳距角控制中，進(jìn)行線性化處理，根據(jù)風(fēng)速變化情況和功率荷載，全面控制槳距角，以此完成功率與荷載的協(xié)同管理。這種方式與以往策略相比，風(fēng)速在標(biāo)準(zhǔn)值以下的情況下，在風(fēng)速某一位置中增加過(guò)渡區(qū)，將該區(qū)域中風(fēng)速控制在一定范圍內(nèi)，并且槳距角變化方式與以往也存在較大不同。如果風(fēng)速在該區(qū)域中發(fā)生變化，槳距角速率也會(huì)隨著風(fēng)速發(fā)生變化，風(fēng)速與槳距角之間存在正向關(guān)系。這種控制方式能進(jìn)一步縮小時(shí)間單位中槳距角的變化，進(jìn)而延長(zhǎng)槳距角的變化過(guò)程，有效緩解該區(qū)域中葉片受到的瞬間荷載，縮小功率的變化幅度，增強(qiáng)功率的穩(wěn)定性。該種情況下，風(fēng)速變化對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響會(huì)降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功率與荷載之間的協(xié)同控制。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在當(dāng)前大力發(fā)展清潔能源的背景下，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到了有效運(yùn)用，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分，需要對(duì)功率以及荷載進(jìn)行協(xié)同控制，以此提高大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性和安全性，減少零部件的損耗。在此過(guò)程中，應(yīng)從功率以及荷載兩個(gè)角度出發(fā)，分析二者協(xié)同控制措施，實(shí)現(xiàn)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行性能的優(yōu)化，最終達(dá)到提高風(fēng)能發(fā)電效率的目的。

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