中電建新能源集團股份有限公司山東分公司 徐 川

由于受到外部擾動因素影響，致使新能源發(fā)電系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，加上投運時間過長，風電機組頻繁發(fā)生故障，降低供電質(zhì)量。基于此，將控制技術(shù)合理應用于新能源風力發(fā)電中，發(fā)揮控制技術(shù)的自動化、智能化優(yōu)勢，實現(xiàn)全生命周期控制管理與實時監(jiān)測新能源風力發(fā)電系統(tǒng)，確保異常情況發(fā)現(xiàn)及時性，為新能源風力發(fā)電穩(wěn)定運行提供基礎保障。本文以某公司為例，對新能源風力發(fā)電中的控制技術(shù)進行研究。

1 新能源風力發(fā)電中控制技術(shù)的作用分析

風力渦輪機是新能源發(fā)電過程中極為重要的發(fā)電設備之一，該設備利用風的作用影響對風扇葉實現(xiàn)機械旋轉(zhuǎn)進行驅(qū)動，在加速設備支持下，葉片處于旋轉(zhuǎn)情況下，則會有一部分機械能量產(chǎn)生，該部分能量向發(fā)電機輸出，為發(fā)電機運行提供支持。通過對現(xiàn)階段新能源發(fā)電系統(tǒng)運行情況的調(diào)研與分析，隨著科學技術(shù)不斷發(fā)展，風電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也愈加復雜化[1]。各系統(tǒng)穩(wěn)定運行對整個新能源發(fā)電系統(tǒng)運行效率有著直接影響，根據(jù)風電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成特點，合理調(diào)整風扇位置，使風力渦輪機的傾斜角度被控制在適宜范圍內(nèi)，以增強新能源風電系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。風力渦輪機基于暫停運行狀態(tài)下，且無任何運動產(chǎn)生，葉片也會進入靜止狀態(tài)，但會出現(xiàn)阻尼持續(xù)增加情況，使風扇的靜止狀態(tài)一直保持。

與常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)不同的是，新能源風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)極為復雜，新能源風力發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行是日常運行管理工作的重點內(nèi)容，全生命周期控制管理與實時監(jiān)測新能源風力發(fā)電系統(tǒng)運行，可以確保機組內(nèi)各發(fā)電設備所存在的異常問題能夠及時發(fā)現(xiàn)與處理，減少異常問題、設備故障發(fā)生對新能源風力發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的負面影響。

結(jié)合某公司在新能源風力發(fā)電方面的研究經(jīng)驗，控制技術(shù)在新能源風力發(fā)電中合理應用可充分滿足新能源風力發(fā)電系統(tǒng)全生命周期控制管理需求，發(fā)揮控制技術(shù)所具有的自動化與智能化優(yōu)勢，實現(xiàn)動態(tài)化監(jiān)測與自動控制新能源風力發(fā)電系統(tǒng)，獲取運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，如風電機組運行復核數(shù)據(jù)、風況數(shù)據(jù)等，再結(jié)合實際風力情況與控制需要，選擇合適的控制技術(shù)，以預防新能源風力發(fā)電系統(tǒng)運行過程中潛在風險隱患，為新能源風力發(fā)電系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運行提供基礎保障。

2 新能源風力發(fā)電中控制技術(shù)的具體應用

2.1 功率控制技術(shù)

風力渦輪機是新能源發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，風力渦輪機長期保持穩(wěn)定運行狀態(tài)，有利于延長風力發(fā)電設備使用壽命。通常情況下，通過風力渦輪機進行發(fā)電時，必須保證風電場內(nèi)的風力資源被精準捕捉，將風力產(chǎn)生的機械能有效向電能轉(zhuǎn)換，前提是要確保能夠在一定時間間隔內(nèi)完成發(fā)電，可以更好地保障新能源發(fā)電系統(tǒng)運行穩(wěn)定性與安全性，并提高發(fā)電質(zhì)量。因此，基于上述問題，某公司提出一種在該環(huán)節(jié)應用風機功率控制技術(shù)的方法，如固定螺距失速控制技術(shù)、螺旋槳控制技術(shù)。

2.1.1 固定螺距失速控制技術(shù)

該項技術(shù)是一種與風力發(fā)電機相配合的控制技術(shù)，基于高風速條件下，滿足風機失速控制需求，以保證風機與新能源發(fā)電系統(tǒng)運行安全性。由于風力發(fā)電機的葉片采用固定螺距設計，葉片螺距無法進行調(diào)節(jié)；當風速與額定風機風速值相接近或超過時，控制系統(tǒng)將對發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩進行調(diào)整，實現(xiàn)對風機轉(zhuǎn)速的有效控制，同時達到在額定范圍內(nèi)穩(wěn)定保持風機轉(zhuǎn)速的控制效果?；诘惋L速條件下，風機充分利用風能實現(xiàn)高效發(fā)電。當風速與額定風速值逐漸接近時，控制系統(tǒng)將對發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩進行減小處理，降低風機轉(zhuǎn)速。當風速超過規(guī)定閾值時，電磁轉(zhuǎn)矩將持續(xù)減小，此時風機將進入失速狀態(tài)，導致風力發(fā)電機的葉片無法隨著風速變化而轉(zhuǎn)動。有利于防止極高風速條件下的風機受到嚴重損壞，實現(xiàn)對發(fā)電機的有效保護，提升整個新能源發(fā)電系統(tǒng)運行安全性。

相較于傳統(tǒng)調(diào)速方式，前者具有操作簡單、較高可靠性等優(yōu)點，可以滿足不同風速條件下的發(fā)電需求。缺點是因風力發(fā)電機的葉片螺距無法調(diào)節(jié)，促使在低風速條件下存在發(fā)電效率較低的情況。此外，為確保發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)整與控制合理性，必須按照規(guī)定要求做好風速測算，通常情況下，以10m高度為標準，對風速值進行測量，風速值也是風機輸出功率計算所需的重要參數(shù)。可利用下述公式計算風速值：vh=vm（h/10）x，式中：vh為h高度處的風速，m/s；vm為風場中10m高度處風速，m/s；h為輪轂中心高度，m；x為測風點地理特征參數(shù)。

2.1.2 螺旋槳控制技術(shù)

以實際風力情況為依據(jù)，針對性調(diào)整螺旋槳距角，實現(xiàn)將渦輪功率控制在適宜范圍內(nèi)。綜合考慮當前工況條件，調(diào)整槳距角；當風機功率與額定值不一致時，即可通過應用螺旋槳控制技術(shù)，將槳距角角度保持在0°；基于風機機組實際輸出功率大于額定功率情況下，需要借助螺旋槳控制技術(shù)考慮當前風機功率和發(fā)電機實際功率。調(diào)整螺桿上升角度，實現(xiàn)風機實際輸出功率始終保持在額定范圍內(nèi)。

一般情況下，處于運行狀態(tài)下的風機，主要由控制系統(tǒng)負責對風扇單元進行控制，保證螺桿調(diào)節(jié)控制效果。在操作過程中，調(diào)整螺旋槳位置，能夠避免螺旋槳一直處于同一位置，或防止出現(xiàn)被動靜止情況，使風扇旋轉(zhuǎn)至指定位置時，采用螺旋槳位置角調(diào)整方式獲得最優(yōu)扭矩參數(shù)，同時螺旋槳處于停止狀態(tài)下時，可將螺旋槳位置角控制在90°，提高風扇效率[2]。

2.2 變槳控制技術(shù)

隨著風機功率及尺寸不斷增大，其應用場景也隨之擴展，對風機在不同風速條件下的適應性以及極端條件下的風機安全性提出更高要求。其中，變槳控制技術(shù)在新能源發(fā)電中有效應用，有利于提升新能源風力發(fā)電系統(tǒng)運行安全性和穩(wěn)定性。該項技術(shù)實際應用，主要是利用機械液壓或電動伺服方式實現(xiàn)對風機槳葉旋轉(zhuǎn)的控制，并對槳葉的節(jié)距角進行調(diào)節(jié)，使氣流對槳葉的攻擊角發(fā)生改變，達到有效控制風機槳葉對氣動轉(zhuǎn)矩及氣動功率精準捕獲目的。

以葉片的旋轉(zhuǎn)面作為參考面，當葉片與參考面的角度、槳距角均為0°時，當前葉片能夠捕獲最大風能，且風力發(fā)電機實際輸出功率也是最大值；當葉片與參考面的角度、槳距角均為90°時，當前葉片承受最大阻力，會使風機處于停止狀態(tài)，受到極端天氣影響，威脅整個風機機組運行安全性?；诖?，通過應用變槳控制技術(shù)，結(jié)合實際風力情況，調(diào)節(jié)與控制縱向軸心葉片，啟動變槳距風電機組，待其達到穩(wěn)定運行狀態(tài)后，對其節(jié)距角進行調(diào)整與優(yōu)化。例如，額定轉(zhuǎn)速＞0.5倍風速時，適當調(diào)整節(jié)距角，能夠確保當前角度位置與整個機組設備運行要求相符合，減少對新能源發(fā)電系統(tǒng)運行效率的影響。

此外，電動變槳具有運行維護方便、成本低以及控制響應高等優(yōu)點，是現(xiàn)階段新能源風力發(fā)電中較為常用的設備之一，電動變槳采用電動伺服控制器驅(qū)動變槳電機，變槳電機驅(qū)動小齒輪，小齒輪再驅(qū)動槳葉的變槳軸承，實現(xiàn)葉片的合理轉(zhuǎn)動。變槳控制驅(qū)動器對可靠性、環(huán)境適應性的要求較高，其中一個變槳驅(qū)動器出現(xiàn)故障，輕則造成風機停機，重則危及整個塔筒的安全，即使對其進行維修，也會造成一定的停機發(fā)電損失，以及較高的維修費用，會對風電場造成較大的經(jīng)濟損失。從表1數(shù)據(jù)來看，得知變槳驅(qū)動器必須具有極高的可靠性、環(huán)境適應性以及安全性。

表1 變槳控制驅(qū)動器與工業(yè)伺服驅(qū)動器可靠性對比

在相關(guān)研究中，某公司結(jié)合典型工業(yè)伺服驅(qū)動器，根據(jù)其工作環(huán)境溫度，即45℃，得知45℃以上需要降額，而變槳控制驅(qū)動器的工作溫度最高可達70℃。另外，針對振動要求，典型工業(yè)伺服驅(qū)動器的振動依據(jù)頻率范圍在0.5～1g，低頻20Hz以下1g，20～50Hz，0.5g或者0.6g，而變槳控制驅(qū)動器可達2g。變槳控制驅(qū)動器需要通過低電壓穿越測試與高電壓穿越測試，以及考慮設計/制造失效模式影響分析等，直接關(guān)系著其功能作用的有效發(fā)揮。變槳控制驅(qū)動器與工業(yè)伺服驅(qū)動器可靠性對比參考表1。

此外，為了更好地發(fā)揮變槳控制技術(shù)優(yōu)勢，某公司在上述研究內(nèi)容的基礎上，進一步分析與研究了變槳執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)行為；變槳距執(zhí)行機構(gòu)屬于非線性伺服系統(tǒng)，其功能作用是將處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的葉片控制在指定位置，通過利用動態(tài)系統(tǒng)模型（帶有振幅與衍生輸出信號飽和度），將槳距控制器作為該模型，用于描述變槳執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)行為，表達式如下：，式中：β、βd分別為實際和給定的槳距角；τ為變槳執(zhí)行機構(gòu)響應速度。一般情況下，的范圍為0°～90°，基于最高速率條件下，需要按照功率調(diào)節(jié)要求，適當調(diào)整當前槳距角。

2.3 風力預測技術(shù)

風力預測在新能源發(fā)電中有著極為關(guān)鍵性的作用，其中風力大小穩(wěn)定性不足，是導致新能源發(fā)電過程中頻繁出現(xiàn)電力供應不持續(xù)情況的主要影響因素。通常情況下，風力越大，風持續(xù)時間隨之增加，風機發(fā)電能力越強。電網(wǎng)吸收空氣發(fā)電站所產(chǎn)生的電力，但無法保證所產(chǎn)生的能量具有良好穩(wěn)定性，進而造成與風力渦輪難以有效銜接的問題。基于此，將風力預測技術(shù)在新能源發(fā)電中合理應用，實現(xiàn)精準預測風能，根據(jù)預測結(jié)果針對性調(diào)整風電，不僅可以增強電網(wǎng)運行穩(wěn)定性，又能提高電網(wǎng)接入效率。從現(xiàn)階段風力預測技術(shù)應用情況來看，風能預測過程涉及多種技術(shù)融合應用，通過對風能進行模擬分析，預測風能發(fā)展趨勢，以保證風能預測結(jié)果準確性。

以預測周期為標準的風力預測技術(shù)較為常用，將預測周期劃分為短期與中期，在短期預測過程中，主要是規(guī)劃風力渦輪機運行；中期預測則是對一定范圍內(nèi)風力大小進行評價，實現(xiàn)對風力的精準預測[3]。同時，搭建風力預測模型，根據(jù)具體風力預測要求，可以搭建物理模型、統(tǒng)計模型和耦合模型。其中，物理模型主要是對風電場氣候變化進行模擬，根據(jù)風向、習慣、壓力及風氣密度等影響因素，在此基礎上模擬風力結(jié)果，結(jié)合模擬結(jié)果確定風扇性能。但會受到風速隨機性限制，致使風力預測存在一定誤差。統(tǒng)計模型搭建以數(shù)學工具為依托，根據(jù)功能關(guān)系，通過識別統(tǒng)計結(jié)構(gòu)與對象預測，分析風強度變化，該項風力預測技術(shù)支持面對面風力數(shù)據(jù)挖掘，前提是要結(jié)合實際情況選擇合適的算法，以減少算法對最終風力預測結(jié)果準確性的影響。

時序算法（是一種常見風力預測方法。在時間序列算法中，利用所有可能的歷史氣象數(shù)據(jù)進行預測?？梢愿鶕?jù)先前的氣象情況來預測未來的氣象情況。優(yōu)點是可以將歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用的信息，僅限于已知天氣條件下的情況）與機器學習算法（應用于預測模型的開發(fā)以及風速預測的改進，使其更加精確。從大量的數(shù)據(jù)中進行分析和學習，如歷史氣象數(shù)據(jù)、風力發(fā)電機組數(shù)據(jù)、表面氣壓數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)等。機器學習可以自身優(yōu)化，從而提高預測精度）具有一定優(yōu)勢，可以通過該算法彌補上述兩種風力預測模型所存在的不足，或者采用綜合預測模型，進一步提升風力預測精確度。

綜上所述，由于受到環(huán)境、天氣等多方面因素影響，會降低新能源發(fā)電系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，控制技術(shù)在新能源發(fā)電中合理應用，有利于實現(xiàn)全生命周期控制管理新能源發(fā)電系統(tǒng)運行，以減少外部擾動因素對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的負面影響，提高新能源發(fā)電系統(tǒng)運行效益。