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

李 偉 井興洋

（中國(guó)電建集團(tuán)河北工程有限公司，河北 石家莊 050000）

風(fēng)力發(fā)電作為一種利用可再生能源進(jìn)行發(fā)電的新型模式，其不僅對(duì)當(dāng)前電力能源供應(yīng)發(fā)揮支撐作用，而且擁有十分廣闊的發(fā)展前景，在未來將成為電力供應(yīng)的主要保障，尤其是大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將成為重點(diǎn)開展目標(biāo)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行需要多種機(jī)械裝置的協(xié)同，因而控制技術(shù)的運(yùn)用是十分關(guān)鍵的。

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理與特點(diǎn)

1.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

風(fēng)力發(fā)電借助風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的主要裝置，其運(yùn)行組件有發(fā)電機(jī)、葉輪、槳葉、變速箱、變流器等，是新型發(fā)電模式的主要代表之一。因其所利用的風(fēng)能屬于清潔能源，所以在當(dāng)前電力能源開發(fā)中應(yīng)用十分廣泛。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，由槳葉收集風(fēng)能后經(jīng)過主軸承和齒輪作用轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過異步發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為交流電形式的電能，接著借助變流器的作用使交流電電壓得以平衡，形成生活生產(chǎn)所需的與電網(wǎng)電壓同等水平的交流電，經(jīng)變壓器直接進(jìn)入電網(wǎng)中與供電系統(tǒng)對(duì)接，供人們使用。

圖1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作原理

1.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能向機(jī)械能再向電能的轉(zhuǎn)變。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行中，風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)是重要部件。從風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作原理來看，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：所處環(huán)境較為惡劣，能夠帶動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)力要求較高。通常，在空曠野外或者海拔較高處才能滿足這一點(diǎn)。因而，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所處的環(huán)境通常比較惡劣，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的性能水平提出更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。能源轉(zhuǎn)換效率高，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行能夠?qū)崿F(xiàn)較高效率的能源轉(zhuǎn)換，雖然風(fēng)速是不斷變化且不穩(wěn)定的，但其風(fēng)能轉(zhuǎn)化電能的最高利用率可以達(dá)到60%左右，一般性的轉(zhuǎn)化率也在40%左右，風(fēng)能利用率較高。清潔污染少，風(fēng)能是可再生資源，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的過程中所依靠的是機(jī)械裝置，不需要使用燃料也不會(huì)產(chǎn)生輻射，因而所產(chǎn)生的污染是極小的，帶來的環(huán)境效益是非常好的。

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

2.1 定槳距控制技術(shù)的應(yīng)用

定槳距控制技術(shù)在當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)制造行業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，其使用率較高，主要運(yùn)用在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備中。該控制技術(shù)最早出現(xiàn)在丹麥的風(fēng)力發(fā)電設(shè)計(jì)中，其以槳葉翼型失速理論為基礎(chǔ)，技術(shù)作用方式為當(dāng)風(fēng)速保持額定值范圍時(shí)將氣流攻角控制在特定值域，這時(shí)槳葉上就會(huì)形成渦流，繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行功率的有效控制，定槳距控制技術(shù)的工作原理就是如此。當(dāng)輪轂上所設(shè)置的槳葉發(fā)生失速現(xiàn)象時(shí)，在技術(shù)控制下就可以直接控制其最大功率，因而也就達(dá)到了控制風(fēng)力發(fā)電質(zhì)量的效果，避免風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的過度損耗，有效提升電能轉(zhuǎn)換效率。

2.2 變槳距控制技術(shù)的應(yīng)用

變槳距控制技術(shù)是在縱向軸心葉片基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)控制，通過變槳距風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行達(dá)到控制效果。具體過程可分為3個(gè)環(huán)節(jié)。首先，將變槳距風(fēng)電機(jī)組打開，保持運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)節(jié)距角進(jìn)行計(jì)算并調(diào)整，當(dāng)額定轉(zhuǎn)速達(dá)到并超過0.5倍風(fēng)速時(shí)繼續(xù)對(duì)節(jié)距角進(jìn)行調(diào)整，確保其角度位置的合理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速的有效控制，保證并網(wǎng)發(fā)電功能的正常運(yùn)行。其次，額定風(fēng)速高于風(fēng)速時(shí)，變槳距風(fēng)電機(jī)組的功率大小直接與槳葉的氣動(dòng)性能相關(guān)，這時(shí)依照風(fēng)速大小對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓葉尖速比保持最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的有效控制，并確保其穩(wěn)定有效輸出。最后，當(dāng)變槳距風(fēng)電機(jī)組的功率與額定功率處于一致水平時(shí)，表明風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行趨向于穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)需對(duì)輸出功率進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，按照輸出功率與額定功率的大小比，當(dāng)前者大于后者時(shí)調(diào)整槳葉的節(jié)距角。另外，以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)其高于750kW時(shí)可采用此技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

2.3 風(fēng)輪控制技術(shù)的應(yīng)用

風(fēng)輪控制技術(shù)發(fā)揮作用在于兩個(gè)要點(diǎn)：①功率信號(hào)反饋。通過掌握所反饋的功率信號(hào)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)輪功率的有效調(diào)節(jié)控制，在風(fēng)輪運(yùn)行過程中結(jié)合實(shí)際條件分析功率的影響因素和關(guān)系，利用相應(yīng)技術(shù)及所獲信息參數(shù)繪制最大功率曲線圖，將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際輸出功率與最大功率做對(duì)比，計(jì)算其差值，之后再根據(jù)差值大小對(duì)風(fēng)輪槳距進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其運(yùn)行功率保持最大化水平。②葉尖速比的調(diào)節(jié)。葉尖速是指在風(fēng)力作用影響下槳葉尖端轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的線速度，葉尖速比是指葉尖速和風(fēng)力作用下的風(fēng)速的比?？刂迫~尖速比可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)輪的控制，進(jìn)而達(dá)到改善風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的效果。風(fēng)速是不可控且不斷變化的，葉尖速的最優(yōu)比值其實(shí)并不易確定，因而需通過控制葉尖速以及調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩的方式來靈活調(diào)整葉尖速比，讓風(fēng)輪外邊緣的速度保持在合理范圍內(nèi)，繼而達(dá)到優(yōu)化葉尖速比的效果，有效控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的 運(yùn)行。

2.4 信息化控制技術(shù)的應(yīng)用

2.4.1 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是應(yīng)用較為廣泛的一種信息化控制技術(shù)，依托于智能技術(shù)的支持對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行故障診斷，精準(zhǔn)判斷故障問題，為故障處理提供參考，有效解決問題并達(dá)到全面控制。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成較為復(fù)雜，且各個(gè)部件之間的相關(guān)性較強(qiáng)。當(dāng)一個(gè)部件發(fā)生故障時(shí)將會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，對(duì)此則借助專家系統(tǒng)掌握故障信息，并進(jìn)行精準(zhǔn)處理。專家系統(tǒng)的應(yīng)用前提是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的具體情況和構(gòu)成，以及對(duì)機(jī)組電流信號(hào)的分析，明確特征向量，然后建立故障診斷的專家模型，在模糊控制的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)故障問題進(jìn)行位置判斷、原因分析，獲得故障的具體信息后可采取針對(duì)性技術(shù)或手段進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

2.4.2 微分幾何控制技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行中電能的轉(zhuǎn)化量與風(fēng)力的大小與速度有著直接的聯(lián)系。當(dāng)風(fēng)力較大、風(fēng)速較快時(shí)所獲得的電能量也更多，因而為確保電力資源的充足需對(duì)風(fēng)能進(jìn)行更加全面的捕捉。微分幾何控制技術(shù)的運(yùn)用就可以達(dá)到這一目的，可以增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)風(fēng)能的敏感度，繼而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、快速且全面的捕捉，以獲得充足的風(fēng)能進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化。通常，風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的運(yùn)行是無規(guī)律性的，風(fēng)力發(fā)電的轉(zhuǎn)化因風(fēng)能的不確定性而表現(xiàn)出不可控的特點(diǎn)，相應(yīng)的關(guān)系也難以確定和計(jì)算，而通過對(duì)微分幾何控制技術(shù)的運(yùn)用則可以更好地控制風(fēng)能和電能的相互轉(zhuǎn)化，借助相應(yīng)智能信息技術(shù)更全面地掌握風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中不同環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系關(guān)系，繼而實(shí)現(xiàn)進(jìn)行更加精準(zhǔn)的控制，提高風(fēng)能向電能轉(zhuǎn)化的質(zhì)量與效率。對(duì)于微分幾何控制技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用過程是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行情況對(duì)控制系統(tǒng)發(fā)布科學(xué)指令，經(jīng)過人工和計(jì)算機(jī)計(jì)算分析得到指令執(zhí)行結(jié)果。

與風(fēng)速作對(duì)比，得到數(shù)據(jù)參數(shù)后按照系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際進(jìn)行調(diào)節(jié)，由此達(dá)到控制運(yùn)行的目的，確保風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性。微分幾何控制技術(shù)的應(yīng)用重點(diǎn)是圍繞線性關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行的，可以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中非線性關(guān)系的精確統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，繼而達(dá)到高效控制風(fēng)能轉(zhuǎn)換的 目的。

2.4.3 自適應(yīng)控制技術(shù)

自適應(yīng)控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用可以大大改善運(yùn)行參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化速度，平衡運(yùn)行參數(shù)變化、模型反應(yīng)的靈敏度，從而獲得更加穩(wěn)定的控制效果。在具體應(yīng)用中，自適應(yīng)控制技術(shù)會(huì)根據(jù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的精準(zhǔn)捕捉來掌握其運(yùn)行變化情況，一旦其運(yùn)行變化較為明顯或異常時(shí)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)就會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并隨之做出判斷和措施，如對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行速度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)等，確保風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，并發(fā)揮其最優(yōu)效果，維護(hù)風(fēng)能與電能的有效轉(zhuǎn)化。另外，自適應(yīng)控制技術(shù)還可以改善變速控制系統(tǒng)模型構(gòu)建困難的問題，通過自適應(yīng)控制器的應(yīng)用對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組非交流電變槳距控制進(jìn)行綜合研究并設(shè)定與之相應(yīng)的系統(tǒng)，在自適應(yīng)控制器作用下獲得更靈敏的捕捉效果，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的控制，確保風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行，也能更好地控制電能的轉(zhuǎn)換。

2.4.4 滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成是非常復(fù)雜的，因其屬于非線性系統(tǒng)，因而相關(guān)系統(tǒng)模型的構(gòu)建比較難，通過利用滑膜變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較好的控制效果?；ぷ兘Y(jié)構(gòu)控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快，且抗干擾性強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)，能夠規(guī)避外界對(duì)雙饋感應(yīng)電機(jī)的干擾，避免參數(shù)出現(xiàn)誤差，減低抖振現(xiàn)象的發(fā)生率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的參數(shù)存在不確定性的特點(diǎn)，且其所對(duì)接的電網(wǎng)也存在波動(dòng)現(xiàn)象，利用滑膜變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)將滑膜變結(jié)構(gòu)控制器應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)額定風(fēng)速上下波動(dòng)范圍內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定控制，降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所承受的荷載作用，讓轉(zhuǎn)速脈動(dòng)減小到合理范圍，并維護(hù)輸出功率的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)有效的控制。

2.5 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)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用較為廣泛，其具體應(yīng)用主要是為了減少電壓的波動(dòng)對(duì)感性元件的影響。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中受到感性元件的作用而出現(xiàn)無功功率消耗的情況，電壓經(jīng)過時(shí)其兩邊并沒有電壓的變化反應(yīng)，然而當(dāng)所經(jīng)過電壓較強(qiáng)時(shí)，感性元件就會(huì)受到較為嚴(yán)重的損害，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。這時(shí)，無功功率補(bǔ)償技術(shù)就可以發(fā)揮作用，平衡電壓電流，抑制諧波作用，避免對(duì)元件產(chǎn)生影響。諧波消除技術(shù)即消除風(fēng)力發(fā)電過程中的諧波所采用的技術(shù)，因諧波的存在會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能與正常運(yùn)行產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出現(xiàn)鐵損、熱故障、超同步諧振等問題，繼而干擾發(fā)電穩(wěn)定性，所以需采取措施進(jìn)行消除。諧波消除技術(shù)的應(yīng)用依靠相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，如采用電力變流器使相位抵消諧波；使用三角連接方式控制諧波進(jìn)入 量等。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著人們對(duì)電力能源需求量的增多，能源與人類發(fā)展、與環(huán)境發(fā)展之間的矛盾愈加突出，清潔能源的開發(fā)利用成為能源結(jié)構(gòu)的主要發(fā)展方向。風(fēng)能作為可再生清潔能源被廣泛開發(fā)利用，通過風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)將風(fēng)能高效轉(zhuǎn)化為電能，滿足人們的用電需求，并大大減少對(duì)自然環(huán)境的污染影響。而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行必須重視控制技術(shù)的應(yīng)用，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中合理運(yùn)用定槳距控制技術(shù)、變槳距控制技術(shù)、風(fēng)輪控制技術(shù)、微分幾何控制技術(shù)等，能夠保障系統(tǒng)的有序運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)揮風(fēng)力發(fā)電的最優(yōu)效用，提升風(fēng)力發(fā)電整體質(zhì)量。在未來的電能開發(fā)利用中，還需進(jìn)一步深化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的研究，推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電模式的創(chuàng)新 發(fā)展。