張思維

（國電電力山西新能源開發(fā)有限公司，山西大同，037000）

0 引言

隨著城市的建設，需要電能的物質越來越多，對風力發(fā)電機組的需求量隨之增加，風力發(fā)電機組開始24h 不間斷運行，此過程中，對機組的損耗巨大，極易出現機組罷工的情況，導致電力系統(tǒng)癱瘓[3]。在風力發(fā)電過程中，風輪的作用至關重要，風輪的轉速是影響電能轉化的關鍵性因素，提高風輪低轉速的控制效果，才能完善風力發(fā)電機組的運行效果，并將發(fā)電功率的標準差進行計算，將功率與風輪轉速控制在可行的范圍內，可以減小發(fā)電機組的壓力，從而提升機組的使用壽命[4]。本文以風力發(fā)電為例，在LQG-I 的前提下，設計風力發(fā)電機組的控制方法，旨在加強風力控制效果，提升風能轉化電能的效率，對后續(xù)電能的使用具有深遠的意義。

1 風力發(fā)電測速模型構建

在風力發(fā)電過程中，普遍使用風輪上的葉片獲取風能，此時葉片上的風速為風力發(fā)電有效風速。但是在測量過程中，由于風力不穩(wěn)定，風速計算效果較差，從而限制風力發(fā)電效果?，F如今的風能測速空間制約條件較大，即使使用精密儀器也很難完成測速。因此，本文考慮到多方面的因素，設計風力發(fā)電的測速模型如下所示。

式（1）中，Wspeed為實際風速；Seffctive為有效風速；Mnoise為測量噪聲；Wduration為風力穩(wěn)定時長。本文考慮到風力發(fā)電機組的實際風速與有效風速等不確定性因素，將風力發(fā)電機組的各個組成部分進行約束，初步提升機組各構件的相互協調能力。一般風力發(fā)電機組的風速控制是將風輪的模態(tài)位移進行調整，并對風輪方位角進行計算，從而保證發(fā)電機的風能轉化精度。但是，實際上的風力發(fā)電過程，控制效果需要得到機組的動態(tài)響應效果，并將風電載荷與控制自由度相互平衡，從而實現機組的動態(tài)控制與動態(tài)傳動。因此，本文將測速模型作出約束，令Mnoise=0，則Wspeed的理想狀態(tài)為：

式（2）中，Wspeed′為理想狀態(tài)下的風速測量值；Cwheel為風輪變量；以此作為本文設計的測速模型的約束條件，減少風輪自身的調節(jié)負荷，改變風輪的變化角度，調整有效風速的測量結果，從而總體把控風力發(fā)電過程。

2 風力發(fā)電機組的無功控制

對風力發(fā)電測速模型約束控制后，開始實際風力測量，但是由于風力的可變性原因，在測速過程中會產生相關無功功率，從而導致電能的功率控制效果下降，增加發(fā)電機組的能源損耗。本文考慮到無功功率的誤差性，對風力發(fā)電機組進行無功控制。本文假設無功控制誤差為Ereactive，則：

式（3）中，Ereactive為無功控制誤差；Preactive為發(fā)電機組的無功功率；Ppreset為機組的無功預設條件；Econtrol為無功誤差控制指標；e(t)為t時刻機組的能源損耗情況，以此無功控制風力發(fā)電機組，提高機組電能功率控制效果，為發(fā)電機組最大功率控制提供支撐。本文選取10 組存在無功控制的，代表性較強的風力發(fā)電機組作為誤差分析對象，由于每個風力發(fā)電機組的預設條件不同，無法進行統(tǒng)一控制，因此需要將無功誤差控制指標作出轉化，對機組進行統(tǒng)一控制，轉化過程為：

式（4）中，Rreactive為發(fā)電機組轉化率。通過計算得到10 組風力發(fā)電機組的無功控制誤差，可以有效提升風力發(fā)電機組的控制效果。風力發(fā)電機組無功控制誤差結果如表1所示。

表1 無功控制誤差結果

3 發(fā)電機組最大功率控制

本文通過對風力發(fā)電機組的無功控制設計，可以初步提升機組的電能功率控制效果。并在此條件下，利用LQG-I對風力發(fā)電機組最大功率進行控制，完成風力指標極小的最優(yōu)隨機控制。在風力發(fā)電過程中，存在高風速區(qū)與低風速區(qū)，最大功率的控制可以完善風力發(fā)電機組控制效果。但是，由于控制步驟較多且繁瑣，在最大功率控制時會產生較多的噪聲，因此需要利用LQG-I 獲取所有風力發(fā)電機組的運行狀態(tài)，對機組的噪聲參數進行處理。并利用LQG-I 狀態(tài)反饋性能確定控制參數，從而控制風力發(fā)電機組的最大功率。本文在LQG-I 基礎上對機組的控制參數進行計算，公式如下：

式（5）中，Pmax為風力發(fā)電機組最大功率；ρair為空氣密度。本文通過調節(jié)風輪的轉速，保證風力發(fā)電機組為正常運行狀態(tài)后，捕捉風力發(fā)電機組的最佳工作狀態(tài)時的空氣密度，結合周圍噪聲參數，得出此時風力發(fā)電機組最大功率。此外，風力發(fā)電機組的最終控制目標為風機在任意風速下，均可以達到最佳運行狀態(tài)，能夠最大限度地利用風能的風力系數，從而獲取風能。傳統(tǒng)控制方法中普遍利用風速計直接測量當前的風速信號，但是此種測量方式造成的誤差結果極大，影響最終對風力發(fā)電機組的控制效果。本文使用LQG-I 獲取風力發(fā)電機組的最優(yōu)控制參數，同時考慮風速測量過程中出現的噪聲，以運行狀態(tài)間的轉換行為對比理想狀態(tài)下的風速結果，最終得到發(fā)電機組最大控制功率，為進一步優(yōu)化風電機組的風電轉化控制性能，提升控制效果提供方法支持。

4 實現風力發(fā)電機組的有效控制

為了實現風力發(fā)電機組的有效控制，本文首先構建了風力發(fā)電機組的風力測速模型，并提供相關約束條件，保證模型對風力測速的真實效果。其次，對風力發(fā)電機組可能出現的無功功率進行計算，并以無功機組為例，轉化無功誤差控制指標，以此計算誤差結果，從而達成模型無功控制的目的，確保電能的功率控制效果，降低發(fā)電機組的能源損耗。最后，利用LQG-I 的最優(yōu)控制和狀態(tài)反饋性能，控制風力發(fā)電機組最大功率，在保證機組的穩(wěn)定運行條件下，加入風速測量出現的噪聲，調整模型的控制負載，從而優(yōu)化機組風輪轉速，實現對機組的最優(yōu)控制。本文認為，保證風力發(fā)電機組的控制性能不僅需要對機組功率實施控制，還要減少機組的功率負荷與功率輸出。通過本文設計，可以在保證電能轉化效果的前提下，減少機組的無功作用與無功誤差，同時也將風速等約束變量進行考量，可以有效調節(jié)風力發(fā)電機組的最大功率，保證機組的控制效果。

5 實驗

為了驗證本文設計的控制方法是否具有實用效果，本文將風力發(fā)電機組在不同風速下進行實驗，并對風力發(fā)電機組的控制效果進行擬合。在此基礎上，將傳統(tǒng)風力發(fā)電機組的控制方法與本文設計的風力發(fā)電機組的控制方法進行對比，驗證兩種方法的控制效果。實驗過程及結果如下所示。

■5.1 實驗準備

此次實驗，以圖1 所示的發(fā)電機組調度控制系統(tǒng)示意圖，為研究對象，驗證本文設計的控制方法是否具有實用效果。

圖1 發(fā)電機組調度控制系統(tǒng)示意圖

本文選取風力發(fā)電機組作為實驗前提，此風力發(fā)電機組的額定功率為10mW，平均單機容量在8～12 kW 之間。設定風力發(fā)電機總數量約1000 臺，槳葉長度在62.8m 左右，風輪半徑為65m，輪轂高度大致在89m 左右。為了保證風力發(fā)電機組的發(fā)電效果，風輪質量與輪轂質量分別控制在120 噸與260 噸的范圍內，使用12.6m/s 的風速作為額定風速；并將風輪額定轉速設定為13.2rpm；風力切入風速為5m/s，切出風速為26m/s。此時，風力發(fā)電機組的額定轉速為1245.6rpm，額定轉矩為4775Nm。

圖2 風力發(fā)電設備示意圖

在此基礎上，計算風力發(fā)電機組輸出功率與風輪轉速的標準差。計算公式如下：

式（6）中，Poutput為風力發(fā)電機組輸出功率；Spotor為風輪轉速；Pate為風輪半徑；m 與n 為常數。由此得出風力發(fā)電機組輸出功率與風輪轉速的標準差如表2 所示。

表2 風力發(fā)電機組的輸出功率標準差

如表2 所示，本文將風力發(fā)電機組的構件分為風輪、發(fā)電機、葉片、輪轂、加固件、風力旋轉發(fā)電，以及發(fā)電機機頭轉動等構件。各個構件功率與風輪轉速的標準差不同，因此，對風力發(fā)電機組的設定數據各不相同。

本文將變速箱剛度設定在1.56N/m 左右；變速箱電阻設定為3054Nms/rad；發(fā)電機電阻設定為16.45Nms/rad；發(fā)電機慣性設定為6.0kg·m2；轉子慣性設定為850000kg·m2；空氣密度設定為1.642kg/m2；轉子葉片長度設定為25m，此時的發(fā)電延遲時間為450μs。根據此設定值，本文將計算發(fā)電機的轉速，計算公式如下：

式（7）中，Gspeed為發(fā)電機的轉速；Dt為發(fā)電延遲時間。根據參數設定，由此得出發(fā)電機組的轉速結果如表3 所示。

表3 發(fā)電機組的轉速

如表3 所示，在1～10s 內，發(fā)電機組功率始終保持在1600mW 內，發(fā)電機的轉速保持在每5s 變換一次波動狀態(tài)，在此基礎上，發(fā)電機的轉速信號如圖3 所示。

圖3 發(fā)電機組的轉速信號

如圖3 所示，此時發(fā)電機組以5s 為單位，形成穩(wěn)定信號波動，為風力發(fā)電控制提供條件。

■5.2 實驗結果

在上述實驗環(huán)境下，將傳統(tǒng)風力發(fā)電機組控制方法與本文設計的風力發(fā)電機組控制方法進行對比，驗證兩者的發(fā)電控制效果如圖4 所示。

圖4 實驗結果

如圖4 所示，在相同的實驗條件下，傳統(tǒng)控制方法的控制與標準發(fā)電信號誤差較大，影響實際發(fā)電效果。而本文設計的控制方法與標準發(fā)電信號相差較少，與其基本保持一致，因此發(fā)電控制效果更佳，符合本文研究目的。

6 結束語

近年來，我國大力倡導節(jié)能減排，電能作為主要節(jié)約能源，受到了廣泛的關注。其中，風力發(fā)電的發(fā)展速度較快，將風能轉化為電能，進而節(jié)約電能資源，為電力事業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。在風力發(fā)電的過程中，采用空氣動力學、控制理論、機械分析、電子分析等多方面的應用，為風力發(fā)電技術形成更加有力的支撐。在進行風力發(fā)電時，多以風力發(fā)電機組為主要工作結構，將風輪、發(fā)電機、控制設備等發(fā)電裝置，利用風輪吸收風力再轉化為電能，從而實現風力發(fā)電的控制效果。但是，現如今的風輪轉速普遍較低，影響風能—電能的轉化效果。因此，本文利用LQG-I 設計風力發(fā)電機組的控制方法，旨在提高風力發(fā)電控制效果，為風力發(fā)電的進一步發(fā)展提供理論基礎。