大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的智能控制研究

張 鵬

內(nèi)蒙古中廣核風(fēng)力發(fā)電有限公司

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的智能控制研究

張 鵬

內(nèi)蒙古中廣核風(fēng)力發(fā)電有限公司

隨著社會(huì)及經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，對(duì)于清潔能源的需求也越來越迫切，而風(fēng)能是清潔能源中可再生且無污染的重要資源，風(fēng)力發(fā)電也已得到高速發(fā)展，但是風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的工作效率及發(fā)電成本仍需要得到進(jìn)一步改進(jìn)，以更好的促進(jìn)我國的清潔能源及電力行業(yè)的發(fā)展。文章首先介紹了風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并從不同的角度來分析風(fēng)電發(fā)電機(jī)組控制中的電氣設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高風(fēng)電發(fā)電機(jī)組工作效率的目的。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；智能控制；分析研究

水能﹑風(fēng)能和太陽能的有效利用不僅能有效緩解了能源危機(jī)，帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步，還具有環(huán)保價(jià)值。風(fēng)力發(fā)電經(jīng)歷了20年的技術(shù)革新，在新能源發(fā)展增速中處第一位。我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)還落后于國外，尤其是大型機(jī)整體設(shè)計(jì)﹑失速調(diào)控和調(diào)速調(diào)頻等方面研究技術(shù)還不成熟。如何提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能，簡化風(fēng)力發(fā)電過程，提升風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的適應(yīng)性，是風(fēng)力發(fā)電研究的重點(diǎn)。

1 電氣控制系統(tǒng)基本功能的設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)起停風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)。該部分主要分為控制面板啟動(dòng)/自動(dòng)啟動(dòng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控啟動(dòng)三種啟動(dòng)方式。而停機(jī)主要是緊急停機(jī)/安全停機(jī)和自動(dòng)停機(jī)三種，其中，如果出現(xiàn)的故障對(duì)機(jī)組產(chǎn)生致命性的嚴(yán)重?fù)p害時(shí)，實(shí)施緊急停機(jī)，即將補(bǔ)償電容切斷，并同時(shí)進(jìn)行空氣動(dòng)力剎車﹑偏航剎車/高速機(jī)械剎車，迫使電機(jī)組馬上停機(jī)；如果出現(xiàn)的故障對(duì)機(jī)組產(chǎn)生不太嚴(yán)重的損害時(shí)，選擇安全停機(jī)；如果出現(xiàn)的故障未損害到機(jī)組，選擇正常停機(jī)。

1.2 電機(jī)切換控制設(shè)計(jì)。電流從大電機(jī)向小電機(jī)切換的過程中，小電機(jī)會(huì)受到電流非常大的沖擊，為了將電流控制在小電機(jī)可接受的電流范圍內(nèi)，可以借助可控硅控件來實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制，來確保小電機(jī)的正常運(yùn)作。此外，為了確保使用可控硅過程中的安全性，需要將瞬態(tài)抑制電路安裝到主電路中，以有效抑制可控硅電壓的上升率，進(jìn)而降低電流的上升率。

1.3 人機(jī)交互式切換控制設(shè)計(jì)。體現(xiàn)風(fēng)電發(fā)電機(jī)組自動(dòng)化程度的重要指標(biāo)之一就是人機(jī)交互式切換控制的實(shí)現(xiàn)，機(jī)組運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)值都可以通過MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的操作界面被操作者操作和設(shè)計(jì)，進(jìn)而通過工控機(jī)來對(duì)相關(guān)指令進(jìn)行識(shí)別和接受，借助PLC控制系統(tǒng)通訊環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制風(fēng)電發(fā)電機(jī)組。此外，機(jī)組反饋回來的的運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)和設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行比較，以便于操作者及時(shí)準(zhǔn)確的判斷出整個(gè)風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

1.4 制動(dòng)控制設(shè)計(jì)。制動(dòng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)包括設(shè)備自行保護(hù)措施﹑主控制保護(hù)系統(tǒng)和主控制保護(hù)系統(tǒng)限制不了的保護(hù)系統(tǒng)三個(gè)主要部分。設(shè)計(jì)制動(dòng)控制時(shí)，應(yīng)該確保整個(gè)設(shè)計(jì)有不少于兩套不相互依賴的剎車設(shè)備，比如，可以利用冗余原則來設(shè)計(jì)主控制系統(tǒng)限制不了的保護(hù)系統(tǒng)，由于主控制保護(hù)系統(tǒng)是安全鏈中不被主控制系統(tǒng)限制的重要環(huán)節(jié)，這就要求必須要確保最高優(yōu)先級(jí)的安全鏈，一旦電網(wǎng)或者主控制保護(hù)系統(tǒng)有嚴(yán)重故障出現(xiàn)，安全鏈應(yīng)馬上制動(dòng)，使風(fēng)電發(fā)電機(jī)組立刻停機(jī)，實(shí)現(xiàn)安全拖網(wǎng)。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的智能控制

在風(fēng)力發(fā)電控制方法的研究中，由于風(fēng)力發(fā)電的影響因素比較多，控制過程比較復(fù)雜，因此可采用借助數(shù)學(xué)模型分析來設(shè)計(jì)的控制方法和具有一定模擬能力的智能控制方法。

2.1 模糊控制。模糊控制是一種典型的智能控制方法，其最大特點(diǎn)是將專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示為語言規(guī)則用于控制。它不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，能克服非線性因素影響，對(duì)被調(diào)節(jié)對(duì)象的參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性。由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)隨機(jī)性的非線性系統(tǒng)，因此模糊控制非常適合于風(fēng)力機(jī)的控制。模糊控制在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤﹑最大風(fēng)能捕獲﹑發(fā)電機(jī)最大功率獲取以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)魯棒性等方面取得了較好的控制效果。籠型異步發(fā)電機(jī)就是采用模糊控機(jī)制對(duì)跟蹤設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，通過模糊控制參量的設(shè)置和模糊控制學(xué)習(xí)等調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速率，提升控制動(dòng)力的效率；計(jì)算輕載時(shí)磁鏈以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)－逆變器效率優(yōu)化；可根據(jù)功率偏差及其變化取得在額定風(fēng)速以下運(yùn)行時(shí)的最大功率。變速恒頻無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用自適應(yīng)模糊控制模型，可實(shí)現(xiàn)較好的魯棒性和抗干擾能力，并且利用模糊控制可實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲并改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其豐富的非線性模型映射機(jī)制﹑高效的學(xué)習(xí)能力和收斂特性為自適應(yīng)控制過程提供了有利的幫助。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用來根據(jù)以往觀察風(fēng)速數(shù)據(jù)預(yù)測風(fēng)速變化等方面。變槳距風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器通過在線學(xué)習(xí)并修改Cp-λ特性曲線，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲并減小機(jī)械負(fù)載力矩，根據(jù)風(fēng)速數(shù)據(jù)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性可建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參考自適應(yīng)控制模型。基于數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)是現(xiàn)代智能技術(shù)中的重要方面，研究從觀測數(shù)據(jù)出發(fā)尋找規(guī)律，利用這些規(guī)律對(duì)未來數(shù)據(jù)或無法觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，來對(duì)工業(yè)過程進(jìn)行有效控制。

3 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 傳感器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，是獲得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的前提。其測點(diǎn)設(shè)置應(yīng)充分結(jié)合機(jī)組的實(shí)際特點(diǎn)和運(yùn)行方式，以及已發(fā)生故障和異常的部位和狀態(tài)，同時(shí)也要根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)的功能需要，進(jìn)行設(shè)置和安裝。

3.2 現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是依靠傳感器采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工作信號(hào)，經(jīng)過初步的整理后傳送給上層數(shù)據(jù)處理單元，為保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集，保證系統(tǒng)故障診斷和故障處理決策依據(jù)的及時(shí)和準(zhǔn)確，本次風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用同步采集方式對(duì)現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行獲取。

風(fēng)力發(fā)電智能化的腳步已不可逆轉(zhuǎn)，風(fēng)力發(fā)電智能控制技術(shù)的革新已勢在必行。為適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制需要，通過介紹風(fēng)力發(fā)電機(jī)的種類和工作原理，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制方法，提出采用智能控制方法來提高風(fēng)力發(fā)電的性能，并對(duì)風(fēng)力發(fā)電控制方法的發(fā)展做出了展望，力求為風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展提供理論支持。

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[2] 陳海忠，高國琴.兩自由度并聯(lián)機(jī)器人的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)滑模控制策略研究[J].機(jī)床與液壓，2011(7)：69.