新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用及未來前景探討

魯 民，李冰皓

（1.國電電力廣東新能源開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000；2.邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺 054035）

1 引 言

我國已經(jīng)是一個集工業(yè)和制造業(yè)于一體的大國，其能源消耗量遠(yuǎn)大于其他國家。在全球氣候變暖的大背景下，能源成為限制我國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸之一，如何利用新能源技術(shù)補充和逐步代替化石能源變得十分重要。大型城市群體的快速建設(shè)，使得電力供應(yīng)缺口逐年擴大。針對能源短缺現(xiàn)狀，人們對新能源風(fēng)力發(fā)電空前關(guān)注，經(jīng)過近20 年快速發(fā)展，我國風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)具備相當(dāng)規(guī)模，其發(fā)電成本和超低污染也可以向常規(guī)能源發(fā)起挑戰(zhàn)。相信在不遠(yuǎn)的將來，新能源風(fēng)力發(fā)電在發(fā)電市場中將占據(jù)舉足輕重的位置，成為經(jīng)濟發(fā)展的強力助推器。然而，盡管國家在風(fēng)力發(fā)電場投入大量資金，但由于風(fēng)場地廣人稀、來流風(fēng)速隨機等原因，有諸多問題仍然存在于風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中[1]。本文在風(fēng)電控制系統(tǒng)中引入自適應(yīng)控制的方案，定能取得明顯的控制效果。

2 風(fēng)力發(fā)電機組工作流程

風(fēng)力發(fā)電場一般是由許多大型風(fēng)力發(fā)電機組構(gòu)成，就目前設(shè)施配置情況而言，常見的風(fēng)力發(fā)電機組由風(fēng)力機、傳動、制動、變槳距系統(tǒng)、發(fā)電機以及電子控制系統(tǒng)組成。風(fēng)力發(fā)電機組的工作原理，將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能，之后轉(zhuǎn)換為電能進行有效輸出。首先是風(fēng)機葉片需通過大于3m/s 風(fēng)帶動，發(fā)電機內(nèi)部線圈做切割磁感線運動，進而可產(chǎn)生感應(yīng)電流，儲能裝置用電能的形式進行儲存。此外，儲能電池平穩(wěn)負(fù)荷波動，對風(fēng)力機組并網(wǎng)環(huán)節(jié)的穩(wěn)定運行，也尤為重要。

風(fēng)場發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備是風(fēng)力機，風(fēng)輪又是水平軸風(fēng)力機的最核心部件，風(fēng)輪葉片頂端線速與風(fēng)速之比為葉尖速比，是衡量風(fēng)機功率系數(shù)的重要參數(shù)。風(fēng)力機中的回轉(zhuǎn)體，在風(fēng)向發(fā)生變化時，確保機頭能水平旋轉(zhuǎn)，使風(fēng)輪迎風(fēng)轉(zhuǎn)動。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速常常較慢，通過傳動系統(tǒng)提高轉(zhuǎn)數(shù)，進而與發(fā)電機所需高轉(zhuǎn)速實現(xiàn)匹配。制動系統(tǒng)可實現(xiàn)風(fēng)機組運行到停機的切換，是風(fēng)力發(fā)電機組不受控情況下最后一道安全屏障，分運動制動和突發(fā)制動兩種制動方式。目前，變槳距系統(tǒng)已經(jīng)在風(fēng)力機組中廣泛應(yīng)用，它主要是通過調(diào)節(jié)風(fēng)輪葉片和氣流之間的攻角，在風(fēng)速較小時實現(xiàn)對風(fēng)能捕獲，風(fēng)速超過額定時，增大攻角控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。與之對應(yīng)的定槳距系統(tǒng)在機組起動、制動、風(fēng)能利用系數(shù)方面，效率遠(yuǎn)不及變槳距系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機類型較多，可大致分為分為直流型和交流型。

3 自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)備種類繁多，是一個綜合復(fù)雜系統(tǒng)，一旦子系統(tǒng)出現(xiàn)問題，極有可能對全部系統(tǒng)正常工作產(chǎn)生影響。綜合控制系統(tǒng)能夠依據(jù)風(fēng)速大小自動進入啟動模式或電網(wǎng)切出；電網(wǎng)發(fā)生突發(fā)故障時，可及時確保機組安全停機；機組正常運行時間節(jié)點內(nèi)，確保負(fù)荷、風(fēng)況、工況運行全監(jiān)控和記錄，可自行判斷異常情況并啟動保護；對于風(fēng)力機分散分布的實際特點，還應(yīng)具備遠(yuǎn)程DCS 通信功能，實時異地操作。綜合控制系統(tǒng)要監(jiān)控風(fēng)況、風(fēng)向、機組運行效率、負(fù)載隨機性、發(fā)電量、并網(wǎng)條件等諸多指標(biāo)，才能組成一個完備的方案[2]。

風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)易受到風(fēng)能的影響，風(fēng)能參數(shù)伴隨諸多不確定性，兼具時變、隨機等特性，建立完善有效的動態(tài)數(shù)據(jù)模型極為困難。為使系統(tǒng)保持在最優(yōu)狀態(tài)，實現(xiàn)對風(fēng)能的有效捕捉，減少不確定因素的影響，筆者提出在綜合控制系統(tǒng)中的兩個環(huán)節(jié)引入自適應(yīng)控制方案，視外界因素變化進而動態(tài)調(diào)整，優(yōu)勢凸顯，發(fā)電效率提升。

3.1 在風(fēng)力渦輪輸出功率P 和發(fā)電機轉(zhuǎn)速ω，當(dāng)前風(fēng)速V 之間建立自適應(yīng)機制

建立在風(fēng)力渦輪的輸出功率P 和發(fā)電機轉(zhuǎn)速ω 之間的關(guān)系，隨來流風(fēng)速的變化而變化。風(fēng)速V處于某一恒定值時，系統(tǒng)中的發(fā)電機的轉(zhuǎn)速ω，必存在某個特定ωt，讓渦輪輸出功率P 處于最大值Pmax。因?qū)嶋H發(fā)電過程中，風(fēng)速保持恒定是理想狀態(tài)，風(fēng)速一般實時發(fā)生動態(tài)波動變化，故渦輪輸出功率最大值Pmax隨風(fēng)速的變化動態(tài)漂移[3]。風(fēng)速變化后，如果使Pmax保持不變，發(fā)電機轉(zhuǎn)速ω 要做調(diào)整處理。因三者間建立的非線性關(guān)系，傳統(tǒng)的PID 控制、模糊控制調(diào)整過程復(fù)雜，不能實現(xiàn)最優(yōu)控制。

在系統(tǒng)中加裝自適應(yīng)控制器，在風(fēng)力干擾因素改變的同時，自適應(yīng)控制單元對被控裝置的內(nèi)部不確定參數(shù)動態(tài)、持續(xù)預(yù)估。同時，線性化模塊利用之前反饋估算參數(shù)對被控設(shè)施的非線性進行有效消除。通過的自適應(yīng)機制調(diào)整參數(shù)，進而實現(xiàn)輸出功率最大值Pmax，優(yōu)化整個系統(tǒng)，實現(xiàn)發(fā)電效率的最大化。

3.2 在發(fā)電機的輸出功率P 和變槳距系統(tǒng)的攻角θ 之間建立自適應(yīng)機制

變槳距系統(tǒng)通過實時改變?nèi)~片和氣流之間的攻角，將風(fēng)力機的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率提高，實現(xiàn)對發(fā)電機組功率輸出的控制，在亟需機組停機時還可以提供空氣動力制動。本文所構(gòu)建的自適應(yīng)調(diào)節(jié)機制，輸入量采用發(fā)電機的輸出功率或輸出功率的變化量，輸出量采用槳距角變化量，加裝模糊自適應(yīng)PID控制器，其控制結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電模糊自適應(yīng)PID 控制結(jié)構(gòu)圖

與傳統(tǒng)的火力、水利發(fā)電相比，風(fēng)力發(fā)電過程中，極易受到風(fēng)能影響，運行環(huán)節(jié)存在不確定性較多。在本環(huán)節(jié)中，單純加入PID 控制器工作穩(wěn)定性強，結(jié)構(gòu)簡單，但考慮到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中突出存在的設(shè)定值和抑制擾動值，實時動態(tài)和靜態(tài)固化，系統(tǒng)魯棒性和控制穩(wěn)定性之間的矛盾，其不能很好解決問題。另外，單獨模糊控制具適應(yīng)性強和過程平滑過渡的優(yōu)點，但對于靜態(tài)誤差克服能力較弱。

基于以上二者優(yōu)缺點，將兩者進行有效結(jié)合，選用模糊自適應(yīng)PID 控制器方案。該方法的原理是提前將系統(tǒng)性能指標(biāo)、初始值、耦合度等先驗知識備份到計算機知識庫中，然后對系統(tǒng)相應(yīng)進行分析，匹配之前建立的模糊推理規(guī)則，將PID 參數(shù)自動調(diào)整至最佳[4]。

模糊自適應(yīng)PID 控制器的工作流程： 構(gòu)建PID三項控制參數(shù) (kp、ki、kd) 和偏差e 與偏差變化率ec之間的模糊隸屬關(guān)系，在風(fēng)力發(fā)電過程中，對e 和ec 動態(tài)實時監(jiān)測，運用模糊推理，在線調(diào)整 kp、ki、kd三項參數(shù)，使之與系統(tǒng)要求最佳匹配，實現(xiàn)PID 參數(shù)自整定，整體滿足“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在加入該控制器后，發(fā)電機的輸出功率P 比之前同等情況下有顯著提高。

4 未來前景

風(fēng)力發(fā)電是一種采用清潔、可再生能源的新型發(fā)電方式。我國每年在能源消費方面居世界前列，清潔能源的高效利用在節(jié)能減排、低碳環(huán)保方面都有十分重要的意義。但風(fēng)力發(fā)電場大多建立在地廣人稀的區(qū)域，在風(fēng)況監(jiān)視、機組參數(shù)、優(yōu)化控制方面的問題較為復(fù)雜。風(fēng)力發(fā)電是大范圍、強風(fēng)速擾動的非線性系統(tǒng)，正確把握平衡點位置，使整個控制系統(tǒng)視來流風(fēng)速的變化而變化尤為重要。

風(fēng)電系統(tǒng)中加入自適應(yīng)控制策略，是運用智能化技術(shù)的一種類型，可以大大降低輸出功率隨機性，控制間歇性和波動性，抑制擾動。在控制系統(tǒng)中，加入智能化方案，是推進發(fā)電能源清潔化、多重化的可靠保證，也是增強系統(tǒng)自愈和高效應(yīng)急的智能電網(wǎng)的核心力量[5]。因此，風(fēng)力發(fā)電中自適應(yīng)控制技術(shù)必將被廣泛應(yīng)用于各個環(huán)節(jié)，為打造我國“智能電網(wǎng)”提供有力支撐。

5 結(jié) 語

基于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實際情況，分析影響輸出功率的諸多因素。對于風(fēng)電系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，考慮到多變量、隨機性、強耦合，提出在系統(tǒng)中的兩個環(huán)節(jié)加入自適應(yīng)控制技術(shù)。

第一項是實現(xiàn)動態(tài)實時檢測，在線干預(yù)，消除非線性，提升效率；第二項的整體目標(biāo)是使該系統(tǒng)對過程參數(shù)的變化，以及對難以建立模型環(huán)節(jié)的動態(tài)過程感知度降低，實現(xiàn)“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”的目標(biāo)。我國未來電力能源中，風(fēng)力發(fā)電的地位會呈現(xiàn)逐年提高趨勢。引入智能化控制技術(shù)，保障風(fēng)力發(fā)電場運行高效穩(wěn)定，是打造風(fēng)電引領(lǐng)的重要途徑。