控制技術在風力發電系統中的應用

蘇虹境

中水電新能源株洲風力發電有限責任公司 湖南 株洲 412000

引言

風力發電作為新能源發電的重要形式表現，所面臨的發展前景以及應用方向相對廣闊。目前為進一步提高風力發電系統運行高效性與可靠性，行業內部研究人員主動針對控制技術在風力發電系統中的應用問題進行了深入研究與分析。通過動態監測風力發電系統運行狀態以及獲取相關數據，及時識別異常風險問題，保障風力發電系統始終處于高效穩定的運行狀態。

1 風力發電系統運行原理及特點分析

1.1 運行原理

風力發電系統作為實現風能轉化電能的重要裝置系統，在結構組件組成上主要包括發電機﹑葉輪﹑槳葉等。區別于傳統發電系統，風力發電系統主要利用清潔能源—風能實現高效發電過程。在運行原理表現上，風力發電系統中的槳葉在收集到風能之后，會經過主軸承以及齒輪作用轉化成為機械能。同時，通過異步發電機將機械能轉化成為交流電形式，實現電能開發與利用過程。一般來說，風力發電系統可通過借助電流器作用促使交流電電壓保持平衡狀態。且經過變壓器運行作用下可直接進入電網當中，與供電系統形成對接關系，完成日常供電過程[1]。

1.2 風力發電系統的特點

風力發電系統所面臨的運行環境相對惡劣，因此風力發電系統在性能水平方面必須滿足高質量運行使用要求。結合當前應用情況來看，國內所使用的風力發電系統在能源轉化效率方面都表現較高，雖然風速處于不斷變化且不穩定的狀態，但是通過利用風力發電系統基本上可以最大限度將風能轉化成為電能，利用率相對較高。除此之外，風力發電系統主要通過利用新能源形式，消除傳統發電過程存在的污染影響。最重要的是，風能作為可再生資源的一種表現形式，在轉化過程中主要通過依靠機械裝置實現風能與電能的轉化應用。期間，所產生的污染微乎其微，環境效益水平相對良好。

2 控制技術在風力發電系統中的應用可行性分析

新能源風力發電系統結構體系相對復雜，在日常運行管理期間，為保障新能源風力發電系統始終處于高效穩定運行狀態，相關人員需要對新能源風力發電系統進行全過程監測管理，及時發現各機組設備異常運行問題并加以解決。其中，為實現對風力發電系統運行全生命周期的控制管理，可主動將控制技術應用于風力發電系統運行體系當中[2]。

與常規技術手段不同，風力發電系統所使用的控制技術所表現出的自動化﹑智能化以及自適應特點相對突出，可以動態實現對新能源風力發電系統運行狀態數據的監測管理。如可以針對風力發電系統負荷數據﹑風況數據以及工況數據等信息進行監測管理。同時，還可以利用遠程監控管理功能，無須人工到場解決，通過科學解決風力發電系統常見的風險問題，保證風力發電系統運行效益以及運行水平持續提升。

3 控制技術在風力發電系統中的應用方法及建議分析

3.1 定槳距控制技術

定槳距控制技術是風力發電系統常用的控制技術類型，在技術原理上，主要以槳葉翼型失速理論為基礎，當風速保持額定值范圍時，氣流攻角會控制在特定值域范圍當中。此時，槳葉上會形成明顯的渦流現象，實現對系統運行功率的控制管理。其中，當輪轂所設置的槳葉出現失速問題時，可通過利用系統所具備的定槳距控制技術優勢實現對系統運行功率的控制管理，達到良好的風力發電效果[3]。

3.2 變槳距控制技術

變槳距控制技術主要通過在縱向軸心葉片上完成調節控制等一系列操作過程，首先需要提前打開變槳距風電機組，使其保持安全穩定的運行狀態之后，計算與優化調整節距角。一般來說，當額定轉速達到或者超過0.5倍風速時，需要對節距角進行適當調整，保障其角度位置可以滿足機組設備運行需求，避免對并網發電功能造成不利影響。其次，如果出現額定風速高于風速的情況，需要根據風速大小適當調節發電機轉差率。其中，經調節處理之后，葉尖速比可以保持最優狀態，利于完成對功率的控制管理。最后，如果變槳距風電機組功率與額定功率保持一致，這就可以表明當前風力發電系統已經處于穩定運行狀態，可通過相應調整輸出功率，進一步保障風力發電系統運行安全。

3.3 風輪控制技術

風輪控制技術主要通過實現功率信號反饋以及科學調節葉尖速比達到高效穩定的運行效果。其中，對于功率信號反饋而言，操作人員可結合實際反饋的功率信號信息，對風輪功率進行調節處理，促使系統始終處于運行功率最優化狀態。對于葉尖速比調節而言，由于風速不可控，導致葉尖速最優比值不容易確定。針對于此，需要通過合理控制葉尖速以及適當調節風輪轉矩等方式，對葉尖速比進行靈活調整，盡量保障風輪外邊緣速度控制在合理范圍內[4]。

3.4 信息化控制技術

3.4.1 專家系統。專家系統作為信息化控制技術的重要應用表現，可依托于智能化管控優勢完成對風力發電機組運行全生命周期的控制管理，尤其是對于風力發電機組運行狀態識別與管理而言。在具體應用過程中，專家系統可針對風力發電機組運行狀態進行故障診斷，結合運行數據信息對故障問題進行精準判斷與妥善解決。在具體實現過程中，專家系統可根據風力發電系統組成情況以及運行情況，獲取運行數據。同時，通過建立故障診斷的專家模型，利用模糊控制原理對系統故障問題進行定位分析。在獲取到故障相關信息之后，專家系統可第一時間采取針對性應對策略進行改進優化，防止風力發電系統處于風險運行狀態。

3.4.2 自適應控制技術。自適應控制技術作為新時期保障風力發電系統安全穩定運行的重要技術手段。在具體應用過程中，可通過發揮技術的自適應以及自動化控制優勢，針對風力發電系統運行參數動態變化速度進行控制管理。通過科學平衡運行參數變化以及提高模型反應的靈敏度，可進一步加強系統運行控制效果。與此同時，自適應控制技術可結合風力發電系統運行情況實現對其運行變化的實時監控。

如果系統運行出現異常變化或者其他風險問題，自適應控制系統會在第一時間采取相關措施加以應對處理。如可以通過調整控制器運行參數，完成對系統運動速度的調節管理。除此之外，自適應控制技術還可以針對變速控制系統模型構建問題進行調整優化。如可以利用自適應控制器完成對風力發電機組結構組件的運行控制，保障風力發電系統處于安全穩定的運行狀態。

3.4.2 無功功率補償技術與諧波消除技術。無功功率補償技術與諧波消除技術作為新時期風力發電系統常用的控制技術手段，在具體應用過程中，無功功率補償技術可通過不斷減小電壓波動帶來的弊端影響，保障風力發電系統處于安全高效的運行狀態。其中，在功能原理表現上主要可以通過發揮無功功率補償技術的平衡電壓電流以及控制諧波等作用優勢，保障系統處于良好的運行狀態，避免對系統元件安全運行構成威脅。

除此之外，諧波消除技術主要可以理解為為消除風力發電過程中所產生的諧波而采取的一項技術手段。客觀來講，風力發電系統所存在的諧波問題通常會對發電機組運行性能產生破壞性影響，如相繼引發發電機鐵損以及熱故障等不良事件出現。而通過利用諧波消除技術，基本上可以通過借助相關設備如電力變流器抵消諧波帶來的不利影響。或者也可以通過采取三角連接方式，完成對諧波進入量的控制管理[5]。

4 控制技術在風力發電系統中的應用前景及趨勢分析

4.1 智能化、自適應化

未來新能源風力發電系統在開發利用風能方面應該時刻關注各類影響因素的變化問題，如風力﹑風速以及天氣等，目的在于通過提前掌握各類影響因素變化有效調整槳距角﹑葉片轉動速度等重要參數。一般來說，這一步驟的實現通常需要借助人工神經網絡技術。因此在未來的發展中，可以將人工神經網絡技術應用于新能源風力發電系統體系，通過利用人工智能神經網絡技術的功能優勢，如強大的學習能力以及計算能力，實現對系統各類參數的累積與儲存分析。根據分析反饋結果，明確掌握槳距角以及葉片轉動速度等重要數值。

在此基礎上，結合風速以及風力變化構建模糊自適應控制體系以及相關參數，當風力以及風速變化到規定區間范圍之后，技術人員可通過調整槳距角以及葉片轉動速度等參數，達到良好的運行效果。除此之外，也可以將人工智能等先進技術引入到新能源風力發電系統運行體系當中。通過借助人工智能技術的自適應控制功能，完成對發電機功率以及風力渦輪轉速等重要參數的自動化調整。舉例而言，當發電機齒輪箱發生故障問題之后，可通過利用人工智能技術以及BP神經網絡算法完成故障定位，通過研究分析故障形成原因，制定針對性故障解決方案。

4.2 實現最優參數智能化控制目標

新能源風力發電系統運行期間容易受到不確定因素影響而發生故障隱患問題。為妥善解決這一問題，在優化控制技術的過程中，可以通過引進新技術以及新理念實現最優參數智能化控制目標，保障新能源風力發電系統始終處于高效穩定的運行狀態。在具體實現過程中，可通過調節新能源風力發電系統風量以及風速等重要參數，加強對發電機運行過程的控制管理。并通過利用傳感器設施捕捉風速風能參數，完成對風力與發電機輸出功率的控制管理。

在參數優化設計方面，可通過適當調節參數數據以及構建數據庫，完成對新能源風力發電系統運行參數合理調整。除此之外，也可以通過模擬構建發電系統使用場景，對變槳距系統以及發電機運行所涉及的各類參數進行深度研究與分析。通過觀察分析不足參數狀態下各類裝置系統是否會發生異常問題，對異常問題形成原因以及解決方法進行精準記錄。經過多次調整之后，確定最優參數。考慮到外界風力變化問題，在最優參數設置方面可結合實際情況將其控制在一定區間范圍內。并通過合理微調最優參數控制區間，以滿足風速變化要求。

4.3 控制計算能力不斷增強

近些年來，微積分以及專家診斷系統等新技術的引入應用，新能源風力發電系統自適應控制技術應用水平逐漸提升，主要集中表現在自適應控制能力以及計算能力大幅度增強。在引入應用過程中，技術人員可以利用微積分以及專家診斷系統所具備的強大邏輯分析能力以及計算能力，實現對風力發電系統運行狀態等深度研究與分析。

根據分析反饋情況，對新能源風力發電系統存在的運行問題進行及時調整，保證發電系統始終處于高效穩定的運行狀態。在此基礎上，也可以通過構建自適應控制技術運行模型對系統運行故障問題進行直觀分析，并通過制定科學合理的應對策略，加強對故障問題的全面排查。

5 結束語

總而言之，為進一步加強對新能源的開發與利用，相關行業內部應該加強對風力發電系統部署應用問題的高度關注。其中，為保障風力發電系統始終處于安全穩定的運行狀態，研究人員應該加強對新技術以及新理念的引入應用。以本文所研究的控制技術為例，風力發電系統通過結合使用控制技術基本上可以實現對系統運行全生命周期的控制管理，利于消除擾動因素帶來的風險影響，所表現出的可行性價值較強。針對于此，建議在未來的發展過程中，研究人員應該在現有控制技術的基礎上，進一步加強對風力發電模式以及系統控制技術的創新應用，以期可以從根本上助推我國新能源事業高質量發展。