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

陳文靜

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅嘉峪關(guān)，735100）

1 新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)的必要性

1.1 實現(xiàn)自動化管理的必然選擇

新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由風(fēng)力機、傳統(tǒng)裝置、傳感器、發(fā)電機等組成，在日常管理中，為確保新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的正常運行，需要對新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進行嚴密的監(jiān)測，以及時的發(fā)現(xiàn)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各設(shè)備的運行狀態(tài)，一旦新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生異常狀態(tài)，便于及時的介入與管理，確保新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)安全可靠的運行，防止意外事故的發(fā)生。為達到上述目的，需要將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用到其中，自適應(yīng)控制技術(shù)能夠根據(jù)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的管理需要，根據(jù)遍布于新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的傳感器，對新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如負荷、風(fēng)況、工況等信息，進行詳盡的監(jiān)測與記錄，為新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障的解決提供詳盡的數(shù)據(jù)支撐；實現(xiàn)DCS通信功能，無需人工到場解決，讓新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具備遠程操控能力，解決新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所遇到的一些常見問題，如調(diào)整新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量、并網(wǎng)條件等。

1.2 推進新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)智能化建設(shè)

新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因使用風(fēng)力帶動發(fā)電機發(fā)電，因而對風(fēng)力的要求較高，需要及時有效的測量風(fēng)力，根據(jù)風(fēng)力的變化調(diào)整風(fēng)向、功率，以精準(zhǔn)匹配風(fēng)力變化，讓新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大程度的利用風(fēng)力，實現(xiàn)資源的高效利用。在推進新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的智能化建設(shè)中，應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)，能夠有效的實現(xiàn)對限速、剎車功能、偏航、解纜、通信等方面的自動化控制，為其向智能化方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。如在剎車功能方面，當(dāng)根據(jù)安裝在新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)力機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機位置的傳感器檢測到異常數(shù)據(jù)時，如風(fēng)力機轉(zhuǎn)速過高、超出了新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率限制時，新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)立刻啟動預(yù)警裝置，向工作人員發(fā)送預(yù)警信息，并立即自動降低風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，斷開與電網(wǎng)之間的聯(lián)系，實現(xiàn)風(fēng)力機與電網(wǎng)分離、降低葉片轉(zhuǎn)速直到葉片不再轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的剎車。在此過程中，新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)設(shè)的程序自動運行，減少了人工介入時的等待時間，能夠極大的提高新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行的安全性，降低因突發(fā)情況導(dǎo)致的新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)受損現(xiàn)象的出現(xiàn)；且隨著人工智能技術(shù)在新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，憑借人工智能強大的學(xué)習(xí)能力，能夠根據(jù)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行而總結(jié)經(jīng)驗，從而與自適應(yīng)控制技術(shù)相配合，更加充分發(fā)揮自適應(yīng)控制技術(shù)的優(yōu)勢。

2 自適應(yīng)技術(shù)在新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的實際應(yīng)用

2.1 新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成與常用功能

新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由多個設(shè)備組成，主要為發(fā)電機、風(fēng)力機、塔架、變槳偏航系統(tǒng)、槳葉、電控系統(tǒng)、聯(lián)軸器等，其中較為主要的為發(fā)電機、電力機、槳葉等。按照風(fēng)力發(fā)電的不同方式，新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型兩種，所使用的的分別為并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機、離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率、容量較小，多分布無電網(wǎng)地區(qū)，為家庭、小型設(shè)備供電使用，常見于偏遠地區(qū)。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電機的選擇上，通常使用異步發(fā)電機和永磁發(fā)電機，其中永磁發(fā)電機的建設(shè)成本較高，可根據(jù)自己的實際情況選擇。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是與電網(wǎng)并在一起，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸送到電網(wǎng)中進行傳輸，因而并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率、容量較大，可以為一個村莊、集鎮(zhèn)供電，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛，目前在內(nèi)蒙古、河北等地區(qū)得到了快速發(fā)展，以解決電力不足的問題。無論是并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，還是離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其運行原理如下:自然風(fēng)達到一定的風(fēng)力以后，通常為每秒三公尺的微風(fēng)速度即可帶動葉片轉(zhuǎn)動，新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的增速機開始介入，并加快葉片轉(zhuǎn)動的速度，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動達到一定的速度以后，會帶動新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機開始工作，發(fā)電機內(nèi)部線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流可達到500-1500千瓦；為使發(fā)電機能夠持續(xù)運行，新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)會集成偏航裝置，即借助電動機轉(zhuǎn)動艙，讓轉(zhuǎn)子帶動葉片使其始終能夠?qū)χL(fēng)的方向，以最大程度的利用風(fēng)能；考慮到發(fā)電機長時間運行會帶來熱量的堆積，為快速散熱，讓發(fā)電機安全穩(wěn)定的運行，會通過冷卻元件降低新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的溫度，冷卻元件為風(fēng)扇、水冷等，具體視新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的大小選擇不同的冷卻裝置；當(dāng)發(fā)電機運行起來以后，儲能電池開始運轉(zhuǎn)，將發(fā)電機輸送的電力儲存到蓄電池中；若需要并網(wǎng)，則將新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電力經(jīng)過調(diào)壓以后，并入到電網(wǎng)之中。在并網(wǎng)時，通過并網(wǎng)控制裝置，以降壓運行和整流逆變?yōu)榧夹g(shù)手段，將新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電壓調(diào)整至與電網(wǎng)一致的時候，就可以實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電、輸送電力。新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在運行期間，需要根據(jù)風(fēng)力的變化，實時調(diào)整偏航裝置、制動系統(tǒng)、葉片轉(zhuǎn)速等，讓新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于良好的運行狀態(tài)，因而從新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作原理來說，需要使用自適應(yīng)控制技術(shù)，以實現(xiàn)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的自動控制功能。

2.2 應(yīng)用于風(fēng)力渦輪輸出和轉(zhuǎn)速控制

風(fēng)力渦輪輸出和轉(zhuǎn)速控制需要根據(jù)風(fēng)力的變化而進行動態(tài)化的調(diào)整，傳統(tǒng)的控制措施對人工的依賴性較強，需要人工進行判斷以后，才能夠向新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)下達渦輪輸出和轉(zhuǎn)速控制的指令，不能夠有效契合風(fēng)力的變化，存在一定的滯后性。在將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用于新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪輸出和轉(zhuǎn)速控制方面，可根據(jù)風(fēng)力渦輪輸出的需要，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制的動態(tài)化調(diào)整。如當(dāng)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過傳感器檢測到風(fēng)力處于和風(fēng)、勁風(fēng)、疾風(fēng)等恒速狀態(tài)時，可判定風(fēng)力渦輪輸出功率處于P狀態(tài)，為使風(fēng)力渦輪輸出P狀態(tài)達到最大值，需要對葉片、渦輪轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，即將轉(zhuǎn)速調(diào)整至ω。在這一過程中，自適應(yīng)控制技術(shù)可通過傳感器實時監(jiān)測風(fēng)力變化，判定風(fēng)速是否處于恒速區(qū)間，若處于恒速期間，則將風(fēng)力渦輪輸出功率調(diào)整至P狀態(tài)；然后線性化模塊排除風(fēng)力干擾因素，確定相關(guān)參數(shù)值，不斷提升轉(zhuǎn)速ω的參數(shù)，讓轉(zhuǎn)速提升至ω狀態(tài)，從而使風(fēng)力渦輪輸出功率P達到最大、最佳狀態(tài)，全力帶動新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機工作，輸出源源不斷的電流。應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)調(diào)整風(fēng)力渦輪輸出功率和轉(zhuǎn)速，這一過程中減少了人工操作的環(huán)節(jié)，由自適應(yīng)機制、線性化模塊發(fā)揮作用，大大加強了對風(fēng)力渦輪輸出功率P和轉(zhuǎn)速ω的自動調(diào)整、控制能力，讓風(fēng)力渦輪輸出功率P和轉(zhuǎn)速ω可根據(jù)風(fēng)力的變化、風(fēng)力恒速的狀態(tài)在一定范圍內(nèi)進行微調(diào)，始終保持風(fēng)力渦輪輸出功率P和轉(zhuǎn)速ω與風(fēng)向、風(fēng)力一致。

2.3 在發(fā)電機與變槳距系統(tǒng)中的應(yīng)用

發(fā)電機作為新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部位，為更好的利用風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電力，需要根據(jù)風(fēng)力風(fēng)速、方向的變化，對變槳距系統(tǒng)進行調(diào)整，調(diào)節(jié)輪轂上的葉片，讓變槳距系統(tǒng)的槳距角大小按照調(diào)節(jié)的幅度發(fā)生變化，從而改變風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)葉片與氣流之間的攻角，在應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)以后，對變槳距系統(tǒng)的調(diào)整可通過最大功率跟蹤法實現(xiàn)，最大功率跟蹤法是適應(yīng)發(fā)電機最大功率而推出的一種變槳距系統(tǒng)調(diào)整與控制技術(shù)。當(dāng)發(fā)電機在風(fēng)力的帶動下開始工作以后，此時若風(fēng)速為恒速狀態(tài)，發(fā)電機的輸出功率處于穩(wěn)定狀態(tài)以后，此時最大功率跟蹤法開始發(fā)揮作用，通過計算讓槳距角保持在最優(yōu)的狀態(tài)，并對發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，讓其能夠處于額定功率的狀態(tài)下輸出電流?？紤]到風(fēng)力并非一直能夠處于恒速狀態(tài)，若風(fēng)力發(fā)生變化，則槳距角、電磁轉(zhuǎn)矩、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)均需要根據(jù)風(fēng)力、風(fēng)速的變化進行調(diào)整，因而需要對發(fā)電機的功率進行計算。其原理如下：當(dāng)發(fā)電機的輸出功率發(fā)生變化以后，表示為r+，變槳距系統(tǒng)中的模糊推理模塊經(jīng)過計算以后，輸出，然后PID控制器對輸出與輸入的偏差進行計算，若風(fēng)能增加，則調(diào)小槳距角，讓風(fēng)能的利用系數(shù)增大，提高電磁轉(zhuǎn)矩和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，以增大發(fā)電機的輸出功率；若風(fēng)能降低，則需要調(diào)大槳距角，以適應(yīng)風(fēng)能的變化，讓槳葉上的能量損失降低，此時可提高風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，讓發(fā)電機快速調(diào)整至額定功率，降低發(fā)電機的輸出功率。通過將自適應(yīng)控制技術(shù)在發(fā)電機功率與變槳距系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠發(fā)揮模糊自適應(yīng)PID控制器的優(yōu)勢，即模糊自適應(yīng)PID控制器根據(jù)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，建立起與槳距角、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)整相關(guān)的參數(shù)，如槳距角、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩的初始值、性能指標(biāo)、耦合度等，這些數(shù)據(jù)會存儲到模糊自適應(yīng)PID控制器中。當(dāng)外界的風(fēng)力、風(fēng)速發(fā)生變化以后，可啟動模糊自適應(yīng)PID控制器，通過模糊推理輸出偏差變化率，以實時調(diào)整，從而與發(fā)電機的輸出功率相匹配，讓發(fā)電機的輸出功率P與槳距角的調(diào)整更加自動化。

3 自適應(yīng)控制技術(shù)的未來發(fā)展前景

3.1 智能化水平提高

新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對風(fēng)能的利用，需要時刻關(guān)注風(fēng)力、風(fēng)速、天氣等情況的變化，才能夠有效調(diào)整槳距角、葉片轉(zhuǎn)動速度、發(fā)電機功率等參數(shù)，而實現(xiàn)上述操作的前提，需要具備大量的線性和非線性參數(shù)，這一操作的實現(xiàn)需要運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之后，可憑借人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的強大學(xué)習(xí)與計算能力，對新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行時所產(chǎn)生的各項參數(shù)進行累積、存儲、分析，從中發(fā)現(xiàn)槳距角、葉片轉(zhuǎn)動速度、發(fā)電機功率等參數(shù)的常用數(shù)值；然后根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)力的變化，建立起相應(yīng)的模糊自適應(yīng)控制參數(shù)，當(dāng)風(fēng)力、風(fēng)速變化到這一區(qū)間以后，可以立刻調(diào)用相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整槳距角、葉片轉(zhuǎn)動速度、發(fā)電機功率后，快速適應(yīng)風(fēng)速、風(fēng)力的變化，讓發(fā)電機功率及時達到輸出功率P和轉(zhuǎn)速ω，以此來實現(xiàn)對變槳距系統(tǒng)、發(fā)電機參數(shù)調(diào)整時存在的滯后性、模糊性等問題的解決，構(gòu)建起快速彈性調(diào)整機制。此外人工智能技術(shù)在新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之中的應(yīng)用，還能夠提升自適應(yīng)控制技術(shù)對故障的發(fā)現(xiàn)、預(yù)警、消除等能力，在實現(xiàn)對變槳距系統(tǒng)、發(fā)電機功率、風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)速等自動化調(diào)整的過程中，難免因為新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一些硬件和軟件的錯誤，而導(dǎo)致相應(yīng)故障的產(chǎn)生，此時可充分發(fā)揮人工智能技術(shù)的優(yōu)勢，賦予自適應(yīng)控制技術(shù)排查、篩選、定位故障的能力，并發(fā)出相應(yīng)的警示消息，如根據(jù)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而開發(fā)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，極大的增強了對發(fā)電機齒輪箱故障的判定能力。當(dāng)發(fā)電機齒輪箱出現(xiàn)故障以后，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，可及時的定位齒輪箱故障，并分析其故障形成原因，提供相應(yīng)的故障解決方案，從而讓新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障判定更加智能。

3.2 實現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)的智能化控制

在新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，因受到干擾因素較多，因而新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在線性化模型的設(shè)計控制器方面，需要實現(xiàn)最優(yōu)化的參數(shù)，才能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)性的操控。為此在自適應(yīng)控制技術(shù)方面，未來將會實現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)的智能化控制。在最優(yōu)參數(shù)的智能化控制方面，會根據(jù)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)量、風(fēng)速等調(diào)節(jié)控制變流器，通過控制變流器的輸出實現(xiàn)對發(fā)電機的控制，然后利用傳感器捕獲額定風(fēng)速風(fēng)能，從而達到控制風(fēng)力與發(fā)電機輸出功率的目的。在相應(yīng)的參數(shù)設(shè)計方面，通過對參數(shù)的相應(yīng)調(diào)整，可以使新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對相應(yīng)參數(shù)建立數(shù)據(jù)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)，對相應(yīng)參數(shù)進行調(diào)整。隨著人工智能技術(shù)的應(yīng)用、信息技術(shù)的進步，可以根據(jù)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所面臨的情況，模擬一些新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的使用場景，在模擬測試的過程中，對變槳距系統(tǒng)、發(fā)電機運行、風(fēng)力渦輪等參數(shù)進行分析，觀察不同參數(shù)情況下變槳距系統(tǒng)、發(fā)電機、風(fēng)力渦輪等是否會發(fā)生異常情況，對發(fā)生的異常情況進行記錄，并再次調(diào)整進行模擬測試，直到找到最優(yōu)參數(shù)位置。考慮到外界風(fēng)力發(fā)生的變化，需要將最優(yōu)參數(shù)設(shè)置在一定的區(qū)間內(nèi)，讓最優(yōu)參數(shù)能夠在合理區(qū)間內(nèi)進行微調(diào)，以適應(yīng)風(fēng)速的相應(yīng)變化。

3.3 自適應(yīng)控制計算能力增強

得益于微積分、專家診斷系統(tǒng)的引入，在未來自適應(yīng)控制技術(shù)在計算能力方面將會大大增強。微積分與專家診斷系統(tǒng)所具備的強大邏輯分析、計算能力，能夠?qū)π履茉达L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的各方面運行情況進行分析，從而發(fā)現(xiàn)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中存在的一些問題，并進行實時調(diào)整，從而使新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定。得益于自適應(yīng)控制技術(shù)運行模型的建立，會對新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行、故障等，建立起更加直觀的分析模型，從而實現(xiàn)快速計算與分析。