關(guān)于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)分析

新疆華電葦湖梁新能源有限公司 孟 莉

風(fēng)能供電方式的產(chǎn)生優(yōu)化了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，風(fēng)能取之不盡、用之不竭，具有較強(qiáng)的安全性，故在實(shí)際生活中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組工作原理

風(fēng)力發(fā)電所帶來的能量轉(zhuǎn)換與風(fēng)機(jī)運(yùn)行系數(shù)成正比，風(fēng)機(jī)運(yùn)行系數(shù)越高所獲得的能量轉(zhuǎn)換數(shù)值越大，高效的風(fēng)機(jī)運(yùn)行更能保持良好的捕獲風(fēng)能功能。而持續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)能捕獲系數(shù)與風(fēng)速和風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，當(dāng)風(fēng)速轉(zhuǎn)速處于最低值時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相應(yīng)的提高風(fēng)輪轉(zhuǎn)速以確保風(fēng)能捕獲的有效性。但基于現(xiàn)實(shí)情況考慮，受各部件運(yùn)行方式制約，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速無(wú)法做到持續(xù)的加速或緩沖，當(dāng)風(fēng)速無(wú)限接近于最小值或最大值時(shí)，發(fā)電機(jī)組須保持最高上限或最低值域勻速輪轉(zhuǎn)，因此在這一階段內(nèi)的發(fā)電功率同樣維持勻速不變，當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)速過快超越上限值域時(shí)就要發(fā)揮變槳系統(tǒng)的作用，通過變槳達(dá)到風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電功率目的，這就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制原理。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是各個(gè)部件的總稱。其中包含各式各樣可直接參與或間接參與風(fēng)力發(fā)電工作的組件，各個(gè)部件間的功能是相互銜接的，彼此起到了一定的輔助和保護(hù)作用，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體保障性與安全性，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有效工作。

1.1 風(fēng)力機(jī)

風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的物質(zhì)基礎(chǔ)，并通過機(jī)械能帶動(dòng)相關(guān)裝置，通過發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)力機(jī)分為不同的種類，其中較常見及較廣的風(fēng)力機(jī)類型是水平軸式風(fēng)力機(jī)和垂直軸式風(fēng)力機(jī)。目前我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用較多的是水平軸式風(fēng)力機(jī)，其通常又包括了上風(fēng)向型風(fēng)力機(jī)和下風(fēng)向型風(fēng)力機(jī)，上風(fēng)向型風(fēng)力機(jī)主要特點(diǎn)是可醒目地看見風(fēng)輪葉片、位置在前；下風(fēng)向型風(fēng)力機(jī)則相反[1]。因二者物理性特點(diǎn)，上風(fēng)向型風(fēng)力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來更加方便快捷，所以在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的硬件應(yīng)用中更加常見。常見的風(fēng)力機(jī)還有單葉片式風(fēng)力機(jī)、雙葉片式風(fēng)力機(jī)、三葉片式風(fēng)力機(jī)及多葉片式風(fēng)力機(jī)等，可根據(jù)風(fēng)輪葉片的數(shù)目進(jìn)行區(qū)分，目前最常見的風(fēng)力機(jī)類型是三葉片式風(fēng)力機(jī)。對(duì)于風(fēng)力機(jī)的劃分仍有不同標(biāo)準(zhǔn)，不予贅述。

在風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下也不能將風(fēng)能百分之百地有效利用，所以只能盡可能地實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)能的最大捕獲量。葉片是風(fēng)力機(jī)的組成部分，對(duì)于葉片材料的選擇經(jīng)歷了很長(zhǎng)一段時(shí)間技術(shù)上的進(jìn)步，當(dāng)前比較適用于葉片制造的材料主要是鋁材、玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料。葉片的工作具有切實(shí)的理論依據(jù)，葉片裝置的曲線設(shè)計(jì)很好地利用壓力的作用，使自然的力量轉(zhuǎn)化為人為所用。因?yàn)樵谌~片的上橫面和下橫面都存在一定的壓力，二者之間的壓力差能夠使葉片產(chǎn)生一定的凈升力，凈升力的作用能夠使風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)，以此帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體工作。

1.2 發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作的核心動(dòng)力，通過發(fā)電機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，再運(yùn)用到實(shí)際的操作系統(tǒng)中。隨著時(shí)代的進(jìn)步，各行業(yè)對(duì)電力供給水平需求的不斷提高，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也在不斷發(fā)展，并作為一種清潔能源在電力市場(chǎng)始終占有一席之地。風(fēng)力發(fā)電機(jī)從最初的定速恒頻技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)如今的變速恒頻技術(shù)，再通過調(diào)整發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式，使先進(jìn)的技術(shù)逐步應(yīng)用到了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作當(dāng)中，當(dāng)下應(yīng)用較多的風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型主要有籠型異步發(fā)電機(jī)、雙饋異步發(fā)電機(jī)、多極同步發(fā)電機(jī)等[2]。

不同發(fā)電機(jī)的形態(tài)體現(xiàn)了其獨(dú)有的特點(diǎn)。如：籠型異步發(fā)電機(jī)更加堅(jiān)固，使用壽命較其他發(fā)電機(jī)相對(duì)較長(zhǎng)、價(jià)格經(jīng)濟(jì)，簡(jiǎn)單的構(gòu)造降低了其維修成本，在實(shí)際的應(yīng)用中廣受歡迎，是絕大多數(shù)相關(guān)應(yīng)用人員的首選；隨著技術(shù)的不斷推進(jìn)，雙饋異步發(fā)電機(jī)逐漸占據(jù)了市場(chǎng)份額，主要特點(diǎn)是：直接通過功率變流器使電子與電網(wǎng)相連接，相較之前的技術(shù)而言減少了不必要的工作程序，提高了發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率，在同等風(fēng)速運(yùn)行速度不變的情況下，可捕捉到更多可有效利用的風(fēng)能，同時(shí)可利用電網(wǎng)中電壓運(yùn)行的獨(dú)特方式控制電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，保證其在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性。

多極同步發(fā)電機(jī)是一個(gè)相對(duì)籠統(tǒng)的概念，同步發(fā)電機(jī)因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形態(tài)使其十分符合直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)的工作模式，因此多極同步發(fā)電機(jī)的分支結(jié)構(gòu)中，繞線轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)最具有使用價(jià)值，且提高了功率上限，為實(shí)操工作中提供了便利，被譽(yù)為是新一代發(fā)電機(jī)組技術(shù)。同以往的發(fā)電機(jī)相比，永磁同步發(fā)電機(jī)更能提高工作效率，在同樣的工作時(shí)間內(nèi)，功率密度及相關(guān)工作效益都得到了不同程度的提升。在近年來的發(fā)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)當(dāng)中，永磁同步發(fā)電機(jī)更加適配于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行工作，且在未來的、可預(yù)見的一定時(shí)期內(nèi)較其他種類的發(fā)電機(jī)更具有綜合優(yōu)勢(shì)。

1.3 其他輔助機(jī)構(gòu)

其他輔助機(jī)構(gòu)在大型風(fēng)力機(jī)組的運(yùn)行中起到了重要的支撐作用，本文主要闡述以下幾種。

1.3.1 齒輪箱

大型風(fēng)力機(jī)組的風(fēng)輪運(yùn)行速度的正常值比發(fā)電機(jī)自身的運(yùn)轉(zhuǎn)速度要低。風(fēng)力發(fā)電等級(jí)具有不同的級(jí)別類型，根據(jù)不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率設(shè)置齒輪箱，以保障風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速保持在一個(gè)額定的運(yùn)行范圍內(nèi)，并能夠適應(yīng)大電機(jī)自身的轉(zhuǎn)速，達(dá)到二者的相互配合。

1.3.2 機(jī)械制動(dòng)機(jī)

有兩種作用方式：一是機(jī)械制動(dòng)機(jī)通常作用于發(fā)電機(jī)與齒輪箱之間，利用高速軸將二者連接起來；二是通過低速軸的力量分別作用在風(fēng)力機(jī)與齒輪箱之間。兩者不同的作用方式在本質(zhì)上沒有明顯區(qū)別，但利用高速軸的作用更優(yōu)于后者，可降低制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。機(jī)械制動(dòng)機(jī)的主要作用是輔助完成停機(jī)操作，保證風(fēng)力機(jī)在進(jìn)入停機(jī)操作的過程中各部件間的相互配合，對(duì)風(fēng)力機(jī)起到一個(gè)輔助保護(hù)的作用。

偏航控制系統(tǒng)。其主要作用是在迎風(fēng)面時(shí)對(duì)風(fēng)力機(jī)起到保持平衡的作用，以有效地捕獲風(fēng)能。偏航控制系統(tǒng)包含了多個(gè)部分，主要由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、偏航齒輪、輪齒輪緣和軸承組成[3]。

風(fēng)向風(fēng)速傳感器。在發(fā)電機(jī)的正常工作中，需要通過勘測(cè)風(fēng)速和風(fēng)向，以確定葉片應(yīng)具備的運(yùn)轉(zhuǎn)角度，在這個(gè)過程中風(fēng)向風(fēng)速傳感器就起到了觀察勘測(cè)的作用。同時(shí)，偏航控制系統(tǒng)需要將風(fēng)力機(jī)有效地保持在迎風(fēng)面上，風(fēng)力機(jī)才可根據(jù)實(shí)際的風(fēng)速調(diào)節(jié)自身發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在一系列工作得到有效運(yùn)營(yíng)時(shí)，風(fēng)力機(jī)才能最大程度上捕獲風(fēng)能，確定風(fēng)能利用的有效性。因此，在大型風(fēng)力機(jī)的硬件設(shè)施中都會(huì)裝有風(fēng)速計(jì)，通過對(duì)風(fēng)速數(shù)據(jù)的測(cè)量，提供給控制系統(tǒng)實(shí)際的參考。在風(fēng)速、風(fēng)向相關(guān)信息的測(cè)量中，需要做好多方面充足的準(zhǔn)備，對(duì)于傳感器、偏航控制系統(tǒng)等起到重要作用的硬件設(shè)施，須嚴(yán)格依照要求準(zhǔn)確安裝在相應(yīng)的位置上，通過達(dá)到測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性來保證大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際工作中的安全性。

2 控制算法理論

本文主要研究控制算法包括自適應(yīng)反步控制算法和無(wú)源控制算法兩種。根據(jù)兩種控制算法的不同模式，設(shè)計(jì)與應(yīng)用了適用于兩種算法的電機(jī)模型并通過仿真案例體現(xiàn)出來。

2.1 自適應(yīng)反步控制算法

上文中提到，在同等風(fēng)速下，通過調(diào)整風(fēng)力機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度以及確定合理葉片角度與速度來最大程度地捕獲風(fēng)能，并提高捕獲風(fēng)能的可利用性。在這里主要體現(xiàn)的是電機(jī)的主要作用在于對(duì)轉(zhuǎn)速和磁鏈起到一定的控制作用，來達(dá)到對(duì)整體環(huán)境的追蹤與控制。

對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)的研究，需要對(duì)自適應(yīng)反步法的編程進(jìn)行研究，目前針對(duì)相關(guān)技術(shù)生產(chǎn)能夠達(dá)到最成熟、最有利的控制研究的是美國(guó)德州儀器生產(chǎn)公司的TMS320C2000DSP平臺(tái)，C2000系列芯片有大量的外設(shè)資源，例如WATCHDOG、CAN總線、數(shù)字IO腳等[4]。但在大多數(shù)的使用情況中，一般會(huì)根據(jù)實(shí)際情況選擇更加適用于電機(jī)控制的外設(shè)資源。多種型號(hào)的生產(chǎn)部件為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供了可選擇的多種設(shè)置模式，可在不斷地比較中選取最適合操作的、安全及運(yùn)行性能最好的外設(shè)裝置。但隨著清潔能源需求量的與日俱增，各種算法編程的技術(shù)也愈發(fā)先進(jìn)，操作也更加便捷，便于裝置的開發(fā)與應(yīng)用。自適應(yīng)反步算法的步驟：初始化-讀取被測(cè)量-控制輸出計(jì)算-參數(shù)自適應(yīng)計(jì)算-輸出。

由此，各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算與應(yīng)用就具備了基本的應(yīng)用程序。在自適應(yīng)反步控制算法中，為控制計(jì)算中的估量與變數(shù)提供了實(shí)際可靠的參數(shù)，并提高自適應(yīng)估算中參數(shù)變化的真實(shí)性。

2.2 無(wú)源控制算法

在無(wú)源控制算法中需考慮風(fēng)速與額定風(fēng)速的關(guān)系。一旦實(shí)際風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能過大，不能為自身所轉(zhuǎn)化應(yīng)用，就會(huì)加大風(fēng)力機(jī)運(yùn)行工作中的壓力，因此就需對(duì)風(fēng)力機(jī)在風(fēng)能捕獲中的功率。具體可參照以下做法：觀測(cè)葉片的運(yùn)行規(guī)律，對(duì)葉片與葉片之間的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)與測(cè)試，從而達(dá)到通過葉片改變空氣動(dòng)力學(xué)的作用力與特性。據(jù)實(shí)驗(yàn)可得：無(wú)源控制算法在實(shí)際的操作過程中具有更加突出的作用，在反應(yīng)速度、控制輸出等方面都具有較高的效果。

通過以上的論述研究可發(fā)現(xiàn)，無(wú)論自適應(yīng)反步控制算法還是無(wú)源控制算法，都是相對(duì)于側(cè)重控制算法的研究。但在自適應(yīng)反步控制算法中，反步法的控制設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，需要考慮多方面因素，如多變量系統(tǒng)、高階子系統(tǒng)等。因此造成了其控制率復(fù)雜、計(jì)算量大等特點(diǎn)。而在無(wú)源控制系統(tǒng)中，無(wú)源控制理論在實(shí)際的應(yīng)用過程中更加具有實(shí)效意義，提供給運(yùn)行工作中更加直觀清晰的工作設(shè)計(jì)思路。

3 風(fēng)能利用效果

據(jù)有效實(shí)驗(yàn)證明，在風(fēng)速較低時(shí)能夠最大的捕獲風(fēng)能。在仿真環(huán)境中，當(dāng)?shù)惋L(fēng)速經(jīng)過時(shí)對(duì)同時(shí)段的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制器進(jìn)行精準(zhǔn)的比較研究，結(jié)果顯示，添加控制器前后在有效風(fēng)能利用率上具有一定的差異。在安裝控制器后對(duì)于風(fēng)能的節(jié)約與利用都有提升，因而安裝控制器對(duì)提升大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作效率具有積極作用，應(yīng)用于成百上千的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組當(dāng)中，是切實(shí)可行的方案，且數(shù)據(jù)可觀。

在安裝控制器后并沒有對(duì)原始的結(jié)構(gòu)作出明顯的改動(dòng)，雖然增加了控制作用，增加了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能捕獲量，但這種控制方式同時(shí)也增加了判斷方式的繁瑣性，由于對(duì)物理參數(shù)的過分依賴，使得在長(zhǎng)期的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中容易出現(xiàn)程序計(jì)算錯(cuò)誤，導(dǎo)致偏差值出現(xiàn)的情況發(fā)生。在實(shí)際的工作中，對(duì)控制器進(jìn)行定期的檢查與調(diào)整，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作的正常運(yùn)行。

其中有一部分仿真環(huán)節(jié)證明，在風(fēng)速較低的時(shí)段內(nèi)調(diào)整了單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率控制器。在常見的間接轉(zhuǎn)速功率與變槳變矩調(diào)整策略中，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)基本保持不變[5]。其原因如下：以上兩種調(diào)整策略采用了相同編排方式，都需依附于中央控制的控制作用，通過中央控制器下達(dá)指令，依據(jù)相關(guān)功率值作為參考來得到計(jì)算結(jié)果。在眾多調(diào)整策略當(dāng)中，變槳變矩聯(lián)合調(diào)整策略對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響較大，會(huì)使原有發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動(dòng)，但依舊可保持一個(gè)相對(duì)安全的整體趨勢(shì)，在實(shí)際的應(yīng)用過程中并無(wú)危險(xiǎn)。因此，在可變速的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，處于低風(fēng)速時(shí)段內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)不會(huì)出現(xiàn)超過限定速度的情況發(fā)生，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速波動(dòng)也不會(huì)為發(fā)電機(jī)造成過大的運(yùn)行壓力。

由此可得，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供了相應(yīng)的控制環(huán)節(jié)之后，不僅能夠提升風(fēng)能捕獲量，增加已捕獲峰能力的利用效率，且對(duì)于大規(guī)模的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說可帶來較為可觀的能量提升。與此同時(shí)，周圍風(fēng)速波動(dòng)影響較大的情況發(fā)生時(shí)，可提供給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組比較可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)工作思路，有助于對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化與提升，并為在能夠節(jié)約資源的前提下捕獲相對(duì)充足的風(fēng)能提供了理論思路，具有一定的參考價(jià)值。