風力發電電氣控制技術及應用

中電投錦州港口有限責任公司 劉 雷

1 我國風力發電的主要現狀分析

1.1 風力發電的基本原理概述

從風力發電的基本原理來看，其以風的作用來推動風車/使風車進行轉動，并通過增速機來增加風車轉速，提供充足的動力供發電機運轉而進行發電。按照目前的風車技術，只需每秒三公尺的風速就可進行發電了。由于風力發電既不需要燃料、又不會對自然環境進行破壞，因此逐漸成為國內最主要的發電手段之一。尤其在國家強調對長江共抓大保護、不搞大開發的今天，風力發電的地位也就格外突出。

1.2 風力發電在我國的運用前景

我國近年來隨著經濟發展而造成的用電需求的不斷上升，再加上全社會對清潔能源方面的需求，使風力發電越來越受到全社會的重視。所以現在各地都在著手興修風力發電站，并著手擴大風力發電站規模。從我國現階段所開展的風能資源評估來看，國內的可利用風能資源大約達十億千瓦左右，所以風力發電在我國的運用前景是很廣闊的。

1.3 我國現階段在風力發電當中存在的問題

可以說，風力發電最大的優勢在于發電的過程當中對自然環境無污染、無破壞，且具有良好的持續性。但風力發電中也存在著不少需要突破的地方。最主要在于風能本身具有的缺陷——風能無法像水能和燃料等那樣進行儲存，完全依賴于現場儲存。由于這些缺陷的存在，導致了風力發電對于電網及電能質量具有較大的影響。比如，風向的改變和風速具有較大的隨機性，都不是人為可控的，能量密度相對偏低。這也導致風力發電的穩定性相對來說不如其他的發電方式。這樣，當電網的規模較大時，電能質量也容易受到較明顯的影響。這樣的現狀顯然對風力發電水平的進一步提高和進一步推廣帶來不利影響。

正是因為風力發電的上述特性，所以風力發電的質量，非常有賴于設備的技術水平。然而，發電設備本身也是一個較為復雜的技術平臺，不可能直接控制風力發電的過程。

現在，我國的風力發電系統由線性和非線性兩種模式組成。其中，前者通常會延續傳統的控制模式，但這種做法很難滿足我國現階段風力發電的需求，影響了我國風力發電產業的可持續發展。最主要在于，通過線性模式要想捕獲較多的風能，需首先對發電機進行調節。雖然這種方式比較簡便，但從操作的范圍和環境來看，同非線性模式之間有著較大的區別。而若沿用傳統的控制模式的話，是很難滿足發電的需要的。而相比之下，非線性模式的可控性有著明顯的改觀。尤其是通過人工智能的有效運用，更是大大的提升了風力發電系統的可控程度。所以，開發出基于非線性模式的風力發電系統，將是未來的出路。

2 電氣控制技術方面的要點[1]

2.1 電氣控制技術的重要性

在風力發電系統當中，電氣控制技術能確保發電機組的安全、高效和可靠的進行運轉：首先，風速的大小、方向，很容易受到一些外界因素如氣壓、氣溫、溫度，或風電場地形地貌等的隨機性影響。使風速容易不可控。那么獲得的風能也就充滿了不可控因素。而采取電力控制技術，可提升風能的可控性，提高風力發電的穩定性。

其次，風力發電系統效率主要通過風能利用率進行衡量。為了盡可能的提高風能利用率，通常設置的風力發電機葉片直徑在60～100m 的范圍內，這也給風輪帶來了較大的轉動慣量；再次，采取電力控制技術，可讓風力發電機組在進行并、脫網，對輸入功率開展優化、限制，對風輪主動對風、開展運行故障檢測、保護工作等環節當中，都能夠取得令人滿意的效果。

根管充填即刻質量評價標準[1]（1）適充：根充材料距解剖根尖≤2mm,根管三維充填封閉嚴密；（2）超充：根管充填材料超出根尖孔；（3）欠充：根充材料距解剖根尖＞2mm或者根管三維充填不嚴密，X線顯示根充物不致密。

最后，由于風力發電系統所處的地區一般風力資源豐富，但環境一般比較惡劣，風力發電既一般也處于分散分布的狀態。這導致了給現場控制帶來困難，影響了系統的可靠性。因此目前在趨勢就在于在風力發電系統當中引入遠程監控設備，增強風力發電系統的可控性。這也同樣需引入電力控制技術，優化風力發電機組的運轉水平。

目前這一課題引起了學術界的廣泛關注，比如將計算機控制系統等先進的控制平臺有效運用在風力發電當中，發展和優化并網運行技術，實現控制手段的優化，從過去單一的定槳距失速控制，逐步轉變為變槳距、變速恒頻控制的手段，最終實現智能控制。

2.2 介紹兩種風力發電設備各自的特點

2.2.1 定槳距型風力機組

這是指的槳葉、輪轂之間進行固定連接的一種風力發電機。不管風速是變快還是會變慢，槳葉迎風角度仍然一直處于固定狀態。失速型指的是在風速比額定風速快時，通過槳葉翼型所特有的失速特性，也就是讓氣流的攻角提高至失速條件，讓槳葉表面出現渦流從而控制發電機功率，將其輸出進行一定程度的限制。

其內部結構和使用要領既簡單又可靠。一旦風速改變造成了輸出功率的改變，無需調節控制系統，只需運用槳葉的被動失速功能就可進行調節，實現了控制系統的簡化。然而，這種做法的弊端在于，葉片的重量較大，一些部件如槳葉、輪轂、塔架等需要承受較大的力矩，導致了整體效率偏低，也提高了這些關鍵部件的疲勞磨損率。

2.2.2 變速恒頻風力發電機組

這是近年得到廣泛發展的一類全新的風力發電系統。其最大的優勢在于，其轉速與發電機的輸出功率無關，在輸出電壓的頻率、幅值和相位上不會因轉子轉速而發生改變。相比起恒速機組相比，其體現的優越性是：當風速較低，能對風速變化進行跟蹤。運行當中最佳葉尖速比能夠保持恒定，使最大風能不受影響；如外界的風速較高，則將風輪的轉速進行改變，從而實現針對機槳距角進行的調節。這樣不僅能在確保機組運轉的安全性和穩定性，確保了輸出功率的平穩性。

此類機組的最佳運行狀態的實現，是通過進行勵磁控制和變槳距調節來完成的。其控制發電機輸出功率的原理在于，從風速、發電機轉速出發，對葉片槳距角進行調節。現在，伴隨風電控制技術的升級，如系統的輸出功率小于額定功率時，基于具體的風速大小，將發電機轉差率調節到與之匹配的程度。從而讓最佳葉尖速比盡可能不被破壞，讓輸出功率盡可能在合理的范圍內，從而持續實現平穩性。在到達額定點后，風能利用的系數屬于較高的狀態，起動、制動方面都比較靈敏，這樣設備處于高風速段的額定功率都能盡可能得到保證。

2.3 電氣控制技術的主要策略

風能的可控性相對較差，能量密度相對偏低。因風速和風向無法人為控制，風力發電設備的葉片攻角也會不斷變化，容易造成發電效率的下降和轉矩傳動鏈發生震蕩，給電能的質量、電網的接入都帶來不利因素。對于風力發電設備來說，為降低其內部的機械應力，一般選用柔性部件。然而這樣的結構也易造成系統的動態特性較為復雜和給轉矩傳動模塊造成的震蕩。現階段從風力發電設備的電氣控制技術控制策略分為傳統和現代兩種控制手段。

2.3.1 線性控制手段

其中，傳統的控制手段同線性控制相匹配，其對于電磁轉矩或槳葉節距角進行有效控制而確保葉尖速比處于最優值，來有效地捕獲風能。但相對不利于對風速處于快速變化狀態下的調節。另外，在風力發電設備的工作范圍較寬、隨機擾動較大、容易出現不確定因素且非線性較嚴重的前提下，是不合適的。

2.3.2 非線性控制手段

其中，變結構控制的優勢在于響應迅捷、不容易受系統參數變化的影響、設計較為簡便等，所以在風力發電當中的運用十分廣泛。而魯棒控制則穩定性十分理想，對于多變量問題處理效果較強，尤其適用于那些有著在建模上存在誤差、參數準確度低的控制問題及對干擾位置系統的控制問題。

關于智能控制，典型的方式有模糊控制，其能夠有效地將專業性的知識經驗，轉化為語言規則，從而開展控制。通過其能夠建立起對被控制對象的無依賴性的、精確度較高的數學模型，將非線性因素帶來的影響減少到最低，使被調節對象產生較理想的魯棒性。特別是通過前面所述的手段，難以建立風力發電機的精確數學模型，這個問題可以通過模糊控制來進行解決。

人工神經網絡則需運用工程技術手段對人腦神經元網絡的結構、特征等進行模擬，通過神經元，可以形成多種多樣基于拓撲結構的神經網絡，模擬出接近于生物神經網絡的架構。從而通過這一特性，突破低風速下對節距控制的難點。

下面分別分析非線性控制手段當中的不同要點。

2.4 捕捉最大功率

這個環節需要結合具體的風速來進行。對此可將發電設備根據風速的不同，分別劃分為低、高兩種風速的設備。隨后對其分別的最大風能開展捕捉計算，就能得出各自進行發電的最大功率。對比起傳統的控制技術來，其靈活性相當可觀，能基于實際控制的需要將機組實際運轉狀況的數據靈活進行變換，以達成穩定的指標，并把運行當中產生誤差壓縮到最低水平。

在這個環節里，當設計選擇控制器的時候需注意的指標是，控制器必須確保系統在運轉當中，其超調量及平均風速分別在3×105W 和9m/s 以下，運行誤差在2000W～4000W 之間。符合了上述要求才能夠在系統當中進行使用。

2.5 捕捉不確定風速測量下的功率

在測量風速時產生的噪音等容易給測量帶來不確定因素。所以就要用到跟蹤器，來著手測量風速當中的變化。在不知氣動轉軸的前提下，通過自適用控制器來識別系統當中的相關參數。通過該手段，一開始無需熟悉系統數據就可以直接開展識別。若不知系統中的啟動轉矩，則可以利用在線學習器對系統中氣動轉軸的變化進行測量，并將測量結果制定成一個動態變化圖，以免控制器在運行過程中對其出現的依賴。

2.6 雙饋感應風力發電機控制

分別由有功、無功調節組成。這其中，前一種的控制目標是讓系統的運轉過程當中收獲更多的能量，而后一種的控制目標則是從實際的需要出發去制定一定的無功功率。這個環節里也要做到測量系統當中的無功功率軌跡。其能夠隨時針對于監控系統運轉狀態進行跟蹤，對其運轉當中的不良情況及時做出預警。在對該系統中的風力發電機進行控制計算的過程中，主要采用的算法為上下界誤差算法，利用這種算法能夠對無功以及有功兩種類型的系統進行控制計算，這種方式能夠提高系統整體的運行效率。

2.7 非線性自適應變槳控制

其主要針對的是在高風時段系統中的控制問題。在此過程中需將發電機中的轉矩維持在一個穩定狀態，通過對系統中漿距進行調節的方式對系統進行跟蹤測量。該方式能對機組中的發電功率進行限制，確保機組運轉當中的安全性。但是在該階段，由于運行環境容易發生變化，在建立仿真模型當中，無法將顯示變量作為主要的控制信號，給仿真系統的建立帶來困難。為此，有關人員在神經網絡學的基礎上制定了一種智能變槳方法，這樣不僅能夠有效管理系統的不確定因素，還能將系統中的風輪轉速保持在一定的范圍內。

3 結語

綜上所述，隨著經濟發展，對各種新型能源進行有效的挖掘、開發和運用，成為擺在面前一道重要的課題。同時，建設生態環保型社會的要求，也意味著要選用那些較為清潔、環保的能源。為此可以從積極開發風力發電這個角度入手，不斷的實現風力發電系統的技術升級，提升其電氣控制的質量，來優化風力發電手段，以滿足社會對于能源產業的需求。