控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

蘇虹境

中水電新能源株洲風(fēng)力發(fā)電有限責(zé)任公司 湖南 株洲 412000

引言

風(fēng)力發(fā)電作為新能源發(fā)電的重要形式表現(xiàn)，所面臨的發(fā)展前景以及應(yīng)用方向相對廣闊。目前為進(jìn)一步提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行高效性與可靠性，行業(yè)內(nèi)部研究人員主動針對控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用問題進(jìn)行了深入研究與分析。通過動態(tài)監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)以及獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，及時識別異常風(fēng)險問題，保障風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)始終處于高效穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行原理及特點分析

1.1 運(yùn)行原理

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為實現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)化電能的重要裝置系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)組件組成上主要包括發(fā)電機(jī)﹑葉輪﹑槳葉等。區(qū)別于傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要利用清潔能源—風(fēng)能實現(xiàn)高效發(fā)電過程。在運(yùn)行原理表現(xiàn)上，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的槳葉在收集到風(fēng)能之后，會經(jīng)過主軸承以及齒輪作用轉(zhuǎn)化成為機(jī)械能。同時，通過異步發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成為交流電形式，實現(xiàn)電能開發(fā)與利用過程。一般來說，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可通過借助電流器作用促使交流電電壓保持平衡狀態(tài)。且經(jīng)過變壓器運(yùn)行作用下可直接進(jìn)入電網(wǎng)當(dāng)中，與供電系統(tǒng)形成對接關(guān)系，完成日常供電過程[1]。

1.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所面臨的運(yùn)行環(huán)境相對惡劣，因此風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在性能水平方面必須滿足高質(zhì)量運(yùn)行使用要求。結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用情況來看，國內(nèi)所使用的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在能源轉(zhuǎn)化效率方面都表現(xiàn)較高，雖然風(fēng)速處于不斷變化且不穩(wěn)定的狀態(tài)，但是通過利用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本上可以最大限度將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成為電能，利用率相對較高。除此之外，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要通過利用新能源形式，消除傳統(tǒng)發(fā)電過程存在的污染影響。最重要的是，風(fēng)能作為可再生資源的一種表現(xiàn)形式，在轉(zhuǎn)化過程中主要通過依靠機(jī)械裝置實現(xiàn)風(fēng)能與電能的轉(zhuǎn)化應(yīng)用。期間，所產(chǎn)生的污染微乎其微，環(huán)境效益水平相對良好。

2 控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用可行性分析

新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系相對復(fù)雜，在日常運(yùn)行管理期間，為保障新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)始終處于高效穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，相關(guān)人員需要對新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行全過程監(jiān)測管理，及時發(fā)現(xiàn)各機(jī)組設(shè)備異常運(yùn)行問題并加以解決。其中，為實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行全生命周期的控制管理，可主動將控制技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行體系當(dāng)中[2]。

與常規(guī)技術(shù)手段不同，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所使用的控制技術(shù)所表現(xiàn)出的自動化﹑智能化以及自適應(yīng)特點相對突出，可以動態(tài)實現(xiàn)對新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測管理。如可以針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷數(shù)據(jù)﹑風(fēng)況數(shù)據(jù)以及工況數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行監(jiān)測管理。同時，還可以利用遠(yuǎn)程監(jiān)控管理功能，無須人工到場解決，通過科學(xué)解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常見的風(fēng)險問題，保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行效益以及運(yùn)行水平持續(xù)提升。

3 控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用方法及建議分析

3.1 定槳距控制技術(shù)

定槳距控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常用的控制技術(shù)類型，在技術(shù)原理上，主要以槳葉翼型失速理論為基礎(chǔ)，當(dāng)風(fēng)速保持額定值范圍時，氣流攻角會控制在特定值域范圍當(dāng)中。此時，槳葉上會形成明顯的渦流現(xiàn)象，實現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行功率的控制管理。其中，當(dāng)輪轂所設(shè)置的槳葉出現(xiàn)失速問題時，可通過利用系統(tǒng)所具備的定槳距控制技術(shù)優(yōu)勢實現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行功率的控制管理，達(dá)到良好的風(fēng)力發(fā)電效果[3]。

3.2 變槳距控制技術(shù)

變槳距控制技術(shù)主要通過在縱向軸心葉片上完成調(diào)節(jié)控制等一系列操作過程，首先需要提前打開變槳距風(fēng)電機(jī)組，使其保持安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)之后，計算與優(yōu)化調(diào)整節(jié)距角。一般來說，當(dāng)額定轉(zhuǎn)速達(dá)到或者超過0.5倍風(fēng)速時，需要對節(jié)距角進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保障其角度位置可以滿足機(jī)組設(shè)備運(yùn)行需求，避免對并網(wǎng)發(fā)電功能造成不利影響。其次，如果出現(xiàn)額定風(fēng)速高于風(fēng)速的情況，需要根據(jù)風(fēng)速大小適當(dāng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率。其中，經(jīng)調(diào)節(jié)處理之后，葉尖速比可以保持最優(yōu)狀態(tài)，利于完成對功率的控制管理。最后，如果變槳距風(fēng)電機(jī)組功率與額定功率保持一致，這就可以表明當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，可通過相應(yīng)調(diào)整輸出功率，進(jìn)一步保障風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行安全。

3.3 風(fēng)輪控制技術(shù)

風(fēng)輪控制技術(shù)主要通過實現(xiàn)功率信號反饋以及科學(xué)調(diào)節(jié)葉尖速比達(dá)到高效穩(wěn)定的運(yùn)行效果。其中，對于功率信號反饋而言，操作人員可結(jié)合實際反饋的功率信號信息，對風(fēng)輪功率進(jìn)行調(diào)節(jié)處理，促使系統(tǒng)始終處于運(yùn)行功率最優(yōu)化狀態(tài)。對于葉尖速比調(diào)節(jié)而言，由于風(fēng)速不可控，導(dǎo)致葉尖速最優(yōu)比值不容易確定。針對于此，需要通過合理控制葉尖速以及適當(dāng)調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩等方式，對葉尖速比進(jìn)行靈活調(diào)整，盡量保障風(fēng)輪外邊緣速度控制在合理范圍內(nèi)[4]。

3.4 信息化控制技術(shù)

3.4.1 專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)作為信息化控制技術(shù)的重要應(yīng)用表現(xiàn)，可依托于智能化管控優(yōu)勢完成對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行全生命周期的控制管理，尤其是對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)識別與管理而言。在具體應(yīng)用過程中，專家系統(tǒng)可針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行故障診斷，結(jié)合運(yùn)行數(shù)據(jù)信息對故障問題進(jìn)行精準(zhǔn)判斷與妥善解決。在具體實現(xiàn)過程中，專家系統(tǒng)可根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成情況以及運(yùn)行情況，獲取運(yùn)行數(shù)據(jù)。同時，通過建立故障診斷的專家模型，利用模糊控制原理對系統(tǒng)故障問題進(jìn)行定位分析。在獲取到故障相關(guān)信息之后，專家系統(tǒng)可第一時間采取針對性應(yīng)對策略進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，防止風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于風(fēng)險運(yùn)行狀態(tài)。

3.4.2 自適應(yīng)控制技術(shù)。自適應(yīng)控制技術(shù)作為新時期保障風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要技術(shù)手段。在具體應(yīng)用過程中，可通過發(fā)揮技術(shù)的自適應(yīng)以及自動化控制優(yōu)勢，針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)動態(tài)變化速度進(jìn)行控制管理。通過科學(xué)平衡運(yùn)行參數(shù)變化以及提高模型反應(yīng)的靈敏度，可進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行控制效果。與此同時，自適應(yīng)控制技術(shù)可結(jié)合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行情況實現(xiàn)對其運(yùn)行變化的實時監(jiān)控。

如果系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常變化或者其他風(fēng)險問題，自適應(yīng)控制系統(tǒng)會在第一時間采取相關(guān)措施加以應(yīng)對處理。如可以通過調(diào)整控制器運(yùn)行參數(shù)，完成對系統(tǒng)運(yùn)動速度的調(diào)節(jié)管理。除此之外，自適應(yīng)控制技術(shù)還可以針對變速控制系統(tǒng)模型構(gòu)建問題進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。如可以利用自適應(yīng)控制器完成對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)組件的運(yùn)行控制，保障風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

3.4.2 無功功率補(bǔ)償技術(shù)與諧波消除技術(shù)。無功功率補(bǔ)償技術(shù)與諧波消除技術(shù)作為新時期風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常用的控制技術(shù)手段，在具體應(yīng)用過程中，無功功率補(bǔ)償技術(shù)可通過不斷減小電壓波動帶來的弊端影響，保障風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于安全高效的運(yùn)行狀態(tài)。其中，在功能原理表現(xiàn)上主要可以通過發(fā)揮無功功率補(bǔ)償技術(shù)的平衡電壓電流以及控制諧波等作用優(yōu)勢，保障系統(tǒng)處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，避免對系統(tǒng)元件安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。

除此之外，諧波消除技術(shù)主要可以理解為為消除風(fēng)力發(fā)電過程中所產(chǎn)生的諧波而采取的一項技術(shù)手段?？陀^來講，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所存在的諧波問題通常會對發(fā)電機(jī)組運(yùn)行性能產(chǎn)生破壞性影響，如相繼引發(fā)發(fā)電機(jī)鐵損以及熱故障等不良事件出現(xiàn)。而通過利用諧波消除技術(shù)，基本上可以通過借助相關(guān)設(shè)備如電力變流器抵消諧波帶來的不利影響。或者也可以通過采取三角連接方式，完成對諧波進(jìn)入量的控制管理[5]。

4 控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用前景及趨勢分析

4.1 智能化、自適應(yīng)化

未來新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在開發(fā)利用風(fēng)能方面應(yīng)該時刻關(guān)注各類影響因素的變化問題，如風(fēng)力﹑風(fēng)速以及天氣等，目的在于通過提前掌握各類影響因素變化有效調(diào)整槳距角﹑葉片轉(zhuǎn)動速度等重要參數(shù)。一般來說，這一步驟的實現(xiàn)通常需要借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。因此在未來的發(fā)展中，可以將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)體系，通過利用人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的功能優(yōu)勢，如強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力以及計算能力，實現(xiàn)對系統(tǒng)各類參數(shù)的累積與儲存分析。根據(jù)分析反饋結(jié)果，明確掌握槳距角以及葉片轉(zhuǎn)動速度等重要數(shù)值。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合風(fēng)速以及風(fēng)力變化構(gòu)建模糊自適應(yīng)控制體系以及相關(guān)參數(shù)，當(dāng)風(fēng)力以及風(fēng)速變化到規(guī)定區(qū)間范圍之后，技術(shù)人員可通過調(diào)整槳距角以及葉片轉(zhuǎn)動速度等參數(shù)，達(dá)到良好的運(yùn)行效果。除此之外，也可以將人工智能等先進(jìn)技術(shù)引入到新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行體系當(dāng)中。通過借助人工智能技術(shù)的自適應(yīng)控制功能，完成對發(fā)電機(jī)功率以及風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)速等重要參數(shù)的自動化調(diào)整。舉例而言，當(dāng)發(fā)電機(jī)齒輪箱發(fā)生故障問題之后，可通過利用人工智能技術(shù)以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法完成故障定位，通過研究分析故障形成原因，制定針對性故障解決方案。

4.2 實現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)智能化控制目標(biāo)

新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行期間容易受到不確定因素影響而發(fā)生故障隱患問題。為妥善解決這一問題，在優(yōu)化控制技術(shù)的過程中，可以通過引進(jìn)新技術(shù)以及新理念實現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)智能化控制目標(biāo)，保障新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)始終處于高效穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。在具體實現(xiàn)過程中，可通過調(diào)節(jié)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)量以及風(fēng)速等重要參數(shù)，加強(qiáng)對發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程的控制管理。并通過利用傳感器設(shè)施捕捉風(fēng)速風(fēng)能參數(shù)，完成對風(fēng)力與發(fā)電機(jī)輸出功率的控制管理。

在參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方面，可通過適當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)數(shù)據(jù)以及構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，完成對新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)合理調(diào)整。除此之外，也可以通過模擬構(gòu)建發(fā)電系統(tǒng)使用場景，對變槳距系統(tǒng)以及發(fā)電機(jī)運(yùn)行所涉及的各類參數(shù)進(jìn)行深度研究與分析。通過觀察分析不足參數(shù)狀態(tài)下各類裝置系統(tǒng)是否會發(fā)生異常問題，對異常問題形成原因以及解決方法進(jìn)行精準(zhǔn)記錄。經(jīng)過多次調(diào)整之后，確定最優(yōu)參數(shù)?？紤]到外界風(fēng)力變化問題，在最優(yōu)參數(shù)設(shè)置方面可結(jié)合實際情況將其控制在一定區(qū)間范圍內(nèi)。并通過合理微調(diào)最優(yōu)參數(shù)控制區(qū)間，以滿足風(fēng)速變化要求。

4.3 控制計算能力不斷增強(qiáng)

近些年來，微積分以及專家診斷系統(tǒng)等新技術(shù)的引入應(yīng)用，新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用水平逐漸提升，主要集中表現(xiàn)在自適應(yīng)控制能力以及計算能力大幅度增強(qiáng)。在引入應(yīng)用過程中，技術(shù)人員可以利用微積分以及專家診斷系統(tǒng)所具備的強(qiáng)大邏輯分析能力以及計算能力，實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等深度研究與分析。

根據(jù)分析反饋情況，對新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)存在的運(yùn)行問題進(jìn)行及時調(diào)整，保證發(fā)電系統(tǒng)始終處于高效穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，也可以通過構(gòu)建自適應(yīng)控制技術(shù)運(yùn)行模型對系統(tǒng)運(yùn)行故障問題進(jìn)行直觀分析，并通過制定科學(xué)合理的應(yīng)對策略，加強(qiáng)對故障問題的全面排查。

5 結(jié)束語

總而言之，為進(jìn)一步加強(qiáng)對新能源的開發(fā)與利用，相關(guān)行業(yè)內(nèi)部應(yīng)該加強(qiáng)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)部署應(yīng)用問題的高度關(guān)注。其中，為保障風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)始終處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，研究人員應(yīng)該加強(qiáng)對新技術(shù)以及新理念的引入應(yīng)用。以本文所研究的控制技術(shù)為例，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過結(jié)合使用控制技術(shù)基本上可以實現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行全生命周期的控制管理，利于消除擾動因素帶來的風(fēng)險影響，所表現(xiàn)出的可行性價值較強(qiáng)。針對于此，建議在未來的發(fā)展過程中，研究人員應(yīng)該在現(xiàn)有控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)對風(fēng)力發(fā)電模式以及系統(tǒng)控制技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，以期可以從根本上助推我國新能源事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。