現(xiàn)代控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用

張金鑫

摘 要：風(fēng)能是一種清潔能源，也屬于可再生資源。通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠?qū)L(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，用于生產(chǎn)生活用電，極大滿足了人們對電能的需求。相比于傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電清潔、環(huán)保、取材簡單而且發(fā)電成本較低。隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)逐漸成為一種常見的發(fā)電途徑，得到廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī);現(xiàn)狀;控制技術(shù)

1 前言

我國幅員遼闊，具有充足的風(fēng)能資源。風(fēng)能作為一種清潔能源在我們的生產(chǎn)中成為重要的動(dòng)力介質(zhì)，并得到了廣泛的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，先進(jìn)控制方法在風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越普遍。本文根據(jù)我國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)進(jìn)行簡單的分析，旨在探索風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展中的問題，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組維護(hù)，故障診斷、技術(shù)創(chuàng)新等提供思路。

2 我國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀

從技術(shù)上講，中國的風(fēng)電發(fā)展分為三個(gè)步驟。一種是引進(jìn)新技術(shù)，另一種是消化吸收技術(shù)，第三種是進(jìn)行自主創(chuàng)新。隨著國產(chǎn)1.5WM容量級風(fēng)電產(chǎn)品的不斷完善，中國的兆瓦級機(jī)組在風(fēng)電市場得到了廣泛的應(yīng)用，且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)在應(yīng)用上也越來越完善與穩(wěn)定。能對風(fēng)機(jī)有效控制是風(fēng)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，為了保證風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行性能，提高機(jī)組的發(fā)電效率與發(fā)電質(zhì)量，減小機(jī)組的機(jī)械載荷，且在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠地按預(yù)定軌跡運(yùn)行，作為主流機(jī)型的變速變距型風(fēng)電機(jī)組，其控制系統(tǒng)由變槳距控制、轉(zhuǎn)矩控制和變流控制三個(gè)子系統(tǒng)組成。變槳距控制可以有效減小機(jī)組動(dòng)態(tài)載荷，保證在額定風(fēng)速以上時(shí)，輸出功率恒定：轉(zhuǎn)矩控制可以提高機(jī)組的發(fā)電效率，同時(shí)可有效減小機(jī)械傳動(dòng)載荷;變流控制可以保證機(jī)組的發(fā)電質(zhì)量。轉(zhuǎn)矩控制和變槳距控制都屬于機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，也是當(dāng)前機(jī)組智能控制策略應(yīng)用的研究熱點(diǎn)，三種控制結(jié)合起來，可以達(dá)到良好的控制效果。風(fēng)電機(jī)組是一個(gè)復(fù)雜多變量非線性系統(tǒng)，且有不確定性和多干擾等特點(diǎn)，含有未建模或無法準(zhǔn)確建模的動(dòng)態(tài)部分，對這樣的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效控制是極為困難的。隨著電力電子技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，先進(jìn)控制方法在風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中得到了普遍應(yīng)用。

3 發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)的分析

3.1 H∞魯棒控制技術(shù)

H∞魯棒控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)是Hardy空間。通過優(yōu)化與各個(gè)性能指標(biāo)相對應(yīng)的規(guī)范來獲得性能穩(wěn)定的控制器。H∞魯棒控制技術(shù)能夠處理和解決多變量問題，并且基于相對嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法，可以解決建模初期存在的誤差。在風(fēng)能激勵(lì)過程中，H∞范數(shù)最小，控制系統(tǒng)輸出最穩(wěn)定。同時(shí)，通過采用H∞魯棒控制技術(shù)，可以確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)沿先前設(shè)置的軌跡穩(wěn)定運(yùn)行。H∞魯棒控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)必不可少的基本技術(shù)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于不穩(wěn)定的風(fēng)速，風(fēng)向和頻繁變化時(shí)，H∞魯棒控制技術(shù)改善了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制，該系統(tǒng)能更快的跟蹤風(fēng)速風(fēng)向的變化，確保風(fēng)能的有效利用。

3.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種非線性系統(tǒng)，在實(shí)際操作過程中具有復(fù)雜且可變的特性。如果在實(shí)際運(yùn)行期間風(fēng)向發(fā)生變化，或者發(fā)生風(fēng)向變化或負(fù)載，則會(huì)影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)可以解決這個(gè)問題。滑動(dòng)模式可變結(jié)構(gòu)控制由于切換控制的性質(zhì)而具有不連續(xù)控制的特性。在實(shí)際使用中，對系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)配置可確保在滿足預(yù)設(shè)條件時(shí)將系統(tǒng)的滑模運(yùn)動(dòng)限制在一定的空間內(nèi)。由于操作簡便，響應(yīng)速度快，因此廣泛用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)中。

滑模變結(jié)構(gòu)控制能夠在滿足控制系統(tǒng)的魯棒性的同時(shí)，有效地抑制干擾對雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響，但是系統(tǒng)顫振是控制系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)。最近，研究人員提出了一種將不連續(xù)控制變量應(yīng)用于高階導(dǎo)數(shù)的高階滑模變量控制方法。這不僅保留了傳統(tǒng)滑模的優(yōu)勢，而且還有效地減少了系統(tǒng)抖動(dòng)并保持了穩(wěn)定的輸出功率。

3.3 矢量控制技術(shù)

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，矢量控制技術(shù)可用于最大程度地跟蹤風(fēng)能，并提供有功和無功的獨(dú)立解耦調(diào)節(jié)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行中，矢量控制技術(shù)的使用很重要。對于基于矢量控制技術(shù)的系統(tǒng)，其強(qiáng)大的適用性和抗干擾能力可在短時(shí)間內(nèi)完成穩(wěn)定性控制。在此階段，矢量控制技術(shù)在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中更常用，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率的有效調(diào)節(jié)

3.4 最優(yōu)控制技術(shù)

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際操作中，由于非線性環(huán)境中干擾大且風(fēng)速頻繁變化，因此不可能通過數(shù)學(xué)控制來完成對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制。基于這種情況，相關(guān)人員使用最佳控制技術(shù)完成了對風(fēng)機(jī)的控制。優(yōu)化的控制技術(shù)將線性化模型設(shè)計(jì)的使用和對工作點(diǎn)的搜索與精確的解耦線性化相結(jié)合，并通過廣泛的反饋完成了對風(fēng)和風(fēng)能的最大控制和捕獲。利用基于最佳控制技術(shù)的系統(tǒng)可以更好地處理和解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行中存在的功率差異，同時(shí)基于最佳控制技術(shù)的系統(tǒng)可以抑制由于線路故障引起的電壓干擾。

3.5 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是較重要的現(xiàn)代智能技術(shù)之一，也是各種控制系統(tǒng)中常用的一種技術(shù)。在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的情況下，可以通過模擬人們的學(xué)習(xí)，決策和其他行為來實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)系統(tǒng)的擬人控制。對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可以使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)來準(zhǔn)確捕獲環(huán)境中不斷變化的風(fēng)能，從而促進(jìn)用于智能控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的開發(fā)。通過在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，您可以獲得合理的風(fēng)速預(yù)測并提高在不穩(wěn)定環(huán)境中運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性。

3.6 模糊控制技術(shù)

模糊控制是一種基于語言規(guī)則和模糊推理的高級控制策略，不依賴于受控對象的精確數(shù)學(xué)模型，不受非線性因素的直接影響。模糊控制是一種典型的智能控制方法，它將語言的動(dòng)態(tài)局部非線性系統(tǒng)劃分為低級系統(tǒng)，并提供最佳的劃分時(shí)間序列，由線性二次調(diào)諧系統(tǒng)增強(qiáng)和控制。與傳統(tǒng)控制方法相比，此方法在減少干擾方面更有效，并且適用于風(fēng)速和負(fù)載不斷變化的環(huán)境。有助于提高風(fēng)能的利用率，并實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤和變頻恒頻特性。

1）在變槳距并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用不僅可以改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，而且可以控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳距角，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并調(diào)節(jié)葉尖速度比以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。恒定功率輸出和恒定頻率比傳統(tǒng)的PID控制器更有效地減少了顫動(dòng)，并提高了系統(tǒng)效率和電能輸出質(zhì)量。

2）雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)選擇了最佳模糊控制邏輯。如果發(fā)動(dòng)機(jī)速度小于額定速度，則通過變流器調(diào)整勵(lì)磁電流，使輸出功率實(shí)現(xiàn)最大化。如果發(fā)動(dòng)機(jī)速度高于額定速度，則模糊控制器通過更改槳距角來減少風(fēng)能的吸收，從而限制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能捕獲率。最佳模糊控制邏輯不僅增加了動(dòng)力傳輸鏈的靈活性，而且使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出更加穩(wěn)定。模糊控制理論結(jié)合了人工智能技術(shù)，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人形智能技術(shù)，具有獨(dú)特而卓越的特性，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。

4 結(jié)束語

總之，隨著科技水平的快速發(fā)展，更多的先進(jìn)技術(shù)不斷出現(xiàn)并在風(fēng)力發(fā)電中廣泛應(yīng)用，極大促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展。相信未來，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也將在不斷完善和發(fā)展過程中得到更大范圍的推廣應(yīng)用，也促進(jìn)了風(fēng)電行業(yè)的持續(xù)發(fā)展和進(jìn)步。

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