李星耀

寧夏回族自治區(qū)電力設(shè)計(jì)院

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展綜述

李星耀

寧夏回族自治區(qū)電力設(shè)計(jì)院

可再生能源發(fā)電技術(shù)，不僅是世界電力行業(yè)的主要發(fā)展和研究對(duì)象，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要途徑。在實(shí)際應(yīng)用中需要針對(duì)不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，選擇合適的控制方法對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，達(dá)到最優(yōu)的控制效果。此文闡述了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)；可再生能源；發(fā)展

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)介紹

控制系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)、發(fā)電量的多少以及設(shè)備的安全。目前風(fēng)力發(fā)電亟待研究解決兩個(gè)問題：發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì)量，而這兩個(gè)問題都和風(fēng)電控制系統(tǒng)密切相關(guān)。對(duì)此國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，取得了一定進(jìn)展，現(xiàn)代控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，為風(fēng)電控制系統(tǒng)的研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

控制系統(tǒng)的組成：

風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的基本目標(biāo)分為三個(gè)層次：保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行，獲取最大能量，提供良好的電力質(zhì)量?？刂葡到y(tǒng)組成主要包括各種傳感器、變距系統(tǒng)、運(yùn)行主控制器、功率輸出單元、無功補(bǔ)償單元、并網(wǎng)控制單元、安全保護(hù)單元、通訊接口電路、監(jiān)控單元。具體控制內(nèi)容有：信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、處理，變槳控制、轉(zhuǎn)速控制、自動(dòng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制、功率因數(shù)控制、偏航控制、自動(dòng)解纜、并網(wǎng)和解列控制、停機(jī)制動(dòng)控制、安全保護(hù)系統(tǒng)、就地監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)然對(duì)于不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制單元會(huì)不相同。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

針對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，目前絕大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)都采用集散型或稱分布式控制系統(tǒng)(DCS)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。采用分布式控制最大優(yōu)點(diǎn)是許多控制功能模塊可以直接布置在控制對(duì)象附近，就地進(jìn)行采集、控制、處理，避免了各類傳感器、信號(hào)線與主控制器之間的連接。同時(shí)DCS現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，便于控制程序現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及在機(jī)組運(yùn)行時(shí)可隨時(shí)修改控制參數(shù)，并與其他功能模塊保持通信，發(fā)出各種控制指令。目前計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，更多新的技術(shù)被應(yīng)用到了DCS之中。PLC是一種針對(duì)順序邏輯控制發(fā)展起來的電子設(shè)備，目前功能上有較大提高，很多廠家也開始采用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(FCS)在進(jìn)入20世紀(jì)90年代中期以后發(fā)展也十分迅猛，以至于有些人已做出預(yù)測(cè)：基于現(xiàn)場(chǎng)總線的FCS將取代DCS成為控制系統(tǒng)的主角。

2 風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)的發(fā)展

2.1 風(fēng)力發(fā)電傳統(tǒng)控制方法

應(yīng)用傳統(tǒng)控制方法對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)進(jìn)行控制，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，是大型的復(fù)雜的、變結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，傳統(tǒng)控制方法不能滿足對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部持續(xù)變化的電流環(huán)、電壓環(huán)、磁鏈的控制，從而引入智能控制方法。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作性能可靠，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電這種不能得到精確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)較為合適，還可有PI和PD控制器，利用比例、微分、積分計(jì)算控制量進(jìn)行控制，可用于對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳系統(tǒng)進(jìn)行控制。

2.2 智能控制方法

2.2.1 模糊控制算法控制。由于模糊控制算法的魯棒性強(qiáng)，可以使用模糊控制算法。模糊控制在不需要知道被控對(duì)象的模型下進(jìn)行控制，可以對(duì)變槳系統(tǒng)的控制器進(jìn)行改進(jìn)，該方法有較好的的抗擾性、動(dòng)態(tài)性能、收斂速度和靜態(tài)誤差。

2.2.2 模糊控制算法與PID算法相結(jié)合。為了使系統(tǒng)的性能更加穩(wěn)定，可將模糊控制算法和PID算法相結(jié)合。一般在系統(tǒng)最壞的工作點(diǎn)設(shè)計(jì)PID控制器，能夠有效改善風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制效果。能夠較好地將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定值附近。為了達(dá)到更好的控制效果，以PID變槳距控制器的缺點(diǎn)分析為基礎(chǔ)，創(chuàng)造性的提出模糊PID與模糊前饋結(jié)合而產(chǎn)生的新型變槳距控制方法。保證模糊PID控制器在不同風(fēng)速下都能保持較好的控制結(jié)果，而模糊前饋控制器在額定風(fēng)速以上的不同風(fēng)速段，根據(jù)風(fēng)速給出的不同前饋槳距角和風(fēng)電機(jī)組的槳葉氣動(dòng)特性，來提高控制系統(tǒng)響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償。針對(duì)變槳距系統(tǒng)還可采用模糊PID－PID雙?？刂疲鶕?jù)提前設(shè)置好的偏差閾值來選擇控制器。

2.2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有可任意逼近任何線性模型的非線性映射能力，可以根據(jù)所掌握的風(fēng)速數(shù)據(jù)找出規(guī)律預(yù)測(cè)風(fēng)速的變化，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的最大捕捉，并減小風(fēng)力發(fā)電機(jī)的負(fù)載力矩。這項(xiàng)學(xué)習(xí)方法還有模式識(shí)別和支持向量機(jī)等。

2.2.4 風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)控制。在自適應(yīng)控制的應(yīng)用方面，對(duì)采用傳統(tǒng)模糊控制技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制在轉(zhuǎn)速和電流控制方面的不足，提出風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)控制方法進(jìn)行控制。增加自適應(yīng)環(huán)節(jié)后，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜態(tài)轉(zhuǎn)速控制和減小輸出電流脈動(dòng)，進(jìn)而增加了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用壽命。自適應(yīng)控制通過李雅普諾夫穩(wěn)定性分析給出控制規(guī)律，可以實(shí)現(xiàn)變槳系統(tǒng)的自適應(yīng)控制，該方法的跟蹤性和伺服性很好。

3 風(fēng)電技術(shù)應(yīng)解決的問題

3.1 不斷加大風(fēng)電技術(shù)的研究

針對(duì)于風(fēng)能密度的地區(qū)范圍，可以采用功率調(diào)節(jié)的方式，從而更好地保證發(fā)電功率，使發(fā)電機(jī)組不受到損害；在調(diào)節(jié)的過程中，可以借助定槳距失速型風(fēng)機(jī)，使其功率得到有效控制；針對(duì)于風(fēng)力發(fā)電消納存在問題的地區(qū)，可以采用一定的儲(chǔ)能技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了在不同環(huán)境下的電能利用，同時(shí)也適當(dāng)?shù)卦黾恿藱C(jī)組的容量，對(duì)此加強(qiáng)此方面的研究，提出更合理的儲(chǔ)能方案是非常有必要的。

3.2 完善和落實(shí)相關(guān)能源政策

可再生資源與不可再生資源，對(duì)于我們國(guó)家乃至全世界來說，都是非常寶貴的資源，是推動(dòng)國(guó)家發(fā)展的重要物質(zhì)支持。對(duì)此，可再生能源相關(guān)保護(hù)政策的完善和實(shí)施是非常重要的，同時(shí)也只有能源政策的落實(shí)，才能加強(qiáng)對(duì)于能源開發(fā)和利用的保障。

[1]杭俊，張建忠，程明，王偉，張明.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)綜述(英文)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，04：261-271.

[3]李華偉.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的混雜控制技術(shù)研究[D].鄭州大學(xué)，2014.