控制技術在風力發電系統中的應用

李 偉 井興洋

（中國電建集團河北工程有限公司，河北 石家莊 050000）

風力發電作為一種利用可再生能源進行發電的新型模式，其不僅對當前電力能源供應發揮支撐作用，而且擁有十分廣闊的發展前景，在未來將成為電力供應的主要保障，尤其是大型風力發電系統將成為重點開展目標。風力發電系統的運行需要多種機械裝置的協同，因而控制技術的運用是十分關鍵的。

1 風力發電系統的工作原理與特點

1.1 風力發電系統的工作原理

風力發電借助風能進行發電，風力發電系統是將風能轉化為電能的主要裝置，其運行組件有發電機、葉輪、槳葉、變速箱、變流器等，是新型發電模式的主要代表之一。因其所利用的風能屬于清潔能源，所以在當前電力能源開發中應用十分廣泛。

風力發電系統的工作原理如圖1所示，由槳葉收集風能后經過主軸承和齒輪作用轉化為機械能，再通過異步發電機將機械能轉化為交流電形式的電能，接著借助變流器的作用使交流電電壓得以平衡，形成生活生產所需的與電網電壓同等水平的交流電，經變壓器直接進入電網中與供電系統對接，供人們使用。

圖1 風力發電系統工作原理

1.2 風力發電系統的特點

風力發電系統的運行實現了風能向機械能再向電能的轉變。在風力發電系統的運行中，風輪、發電機是重要部件。從風力發電系統工作原理來看，其特點主要表現為：所處環境較為惡劣，能夠帶動槳葉轉動的風力要求較高。通常，在空曠野外或者海拔較高處才能滿足這一點。因而，風力發電系統所處的環境通常比較惡劣，對風力發電系統的性能水平提出更高標準的要求。能源轉換效率高，風力發電系統的運行能夠實現較高效率的能源轉換，雖然風速是不斷變化且不穩定的，但其風能轉化電能的最高利用率可以達到60%左右，一般性的轉化率也在40%左右，風能利用率較高。清潔污染少，風能是可再生資源，風力發電系統在將風能轉化為電能的過程中所依靠的是機械裝置，不需要使用燃料也不會產生輻射，因而所產生的污染是極小的，帶來的環境效益是非常好的。

2 控制技術在風力發電系統中的應用

2.1 定槳距控制技術的應用

定槳距控制技術在當前風力發電系統制造行業中的應用非常廣泛，其使用率較高，主要運用在大型風力發電機組設備中。該控制技術最早出現在丹麥的風力發電設計中，其以槳葉翼型失速理論為基礎，技術作用方式為當風速保持額定值范圍時將氣流攻角控制在特定值域，這時槳葉上就會形成渦流，繼而實現對系統運行功率的有效控制，定槳距控制技術的工作原理就是如此。當輪轂上所設置的槳葉發生失速現象時，在技術控制下就可以直接控制其最大功率，因而也就達到了控制風力發電質量的效果，避免風力發電系統的過度損耗，有效提升電能轉換效率。

2.2 變槳距控制技術的應用

變槳距控制技術是在縱向軸心葉片基礎上實現的調節控制，通過變槳距風電機組的運行達到控制效果。具體過程可分為3個環節。首先，將變槳距風電機組打開，保持運行狀態，對節距角進行計算并調整，當額定轉速達到并超過0.5倍風速時繼續對節距角進行調整，確保其角度位置的合理，從而實現對機組轉速的有效控制，保證并網發電功能的正常運行。其次，額定風速高于風速時，變槳距風電機組的功率大小直接與槳葉的氣動性能相關，這時依照風速大小對發電機的轉差率進行調節，讓葉尖速比保持最優，實現對功率的有效控制，并確保其穩定有效輸出。最后，當變槳距風電機組的功率與額定功率處于一致水平時，表明風力發電系統的運行趨向于穩定狀態，這時需對輸出功率進行相應調整，按照輸出功率與額定功率的大小比，當前者大于后者時調整槳葉的節距角。另外，以風力發電機組容量為標準，當其高于750kW時可采用此技術進行調節控制。

2.3 風輪控制技術的應用

風輪控制技術發揮作用在于兩個要點：①功率信號反饋。通過掌握所反饋的功率信號信息實現對風輪功率的有效調節控制，在風輪運行過程中結合實際條件分析功率的影響因素和關系，利用相應技術及所獲信息參數繪制最大功率曲線圖，將風力發電系統的實際輸出功率與最大功率做對比，計算其差值，之后再根據差值大小對風輪槳距進行調節，使其運行功率保持最大化水平。②葉尖速比的調節。葉尖速是指在風力作用影響下槳葉尖端轉動時的線速度，葉尖速比是指葉尖速和風力作用下的風速的比?？刂迫~尖速比可以實現對風輪的控制，進而達到改善風力發電系統運行狀態的效果。風速是不可控且不斷變化的，葉尖速的最優比值其實并不易確定，因而需通過控制葉尖速以及調節風輪轉矩的方式來靈活調整葉尖速比，讓風輪外邊緣的速度保持在合理范圍內，繼而達到優化葉尖速比的效果，有效控制風力發電系統的 運行。

2.4 信息化控制技術的應用

2.4.1 專家系統

專家系統是應用較為廣泛的一種信息化控制技術，依托于智能技術的支持對風力發電機組的運行狀態進行故障診斷，精準判斷故障問題，為故障處理提供參考，有效解決問題并達到全面控制。風力發電系統的構成較為復雜，且各個部件之間的相關性較強。當一個部件發生故障時將會對整個機組的運行穩定性產生影響，對此則借助專家系統掌握故障信息，并進行精準處理。專家系統的應用前提是根據風力發電系統的具體情況和構成，以及對機組電流信號的分析，明確特征向量，然后建立故障診斷的專家模型，在模糊控制的基礎上對系統故障問題進行位置判斷、原因分析，獲得故障的具體信息后可采取針對性技術或手段進行改進和優化，由此實現對風力發電系統的優化控制。

2.4.2 微分幾何控制技術

風力發電系統的運行中電能的轉化量與風力的大小與速度有著直接的聯系。當風力較大、風速較快時所獲得的電能量也更多，因而為確保電力資源的充足需對風能進行更加全面的捕捉。微分幾何控制技術的運用就可以達到這一目的，可以增強風力發電系統對風能的敏感度，繼而實現精準、快速且全面的捕捉，以獲得充足的風能進行電能轉化。通常，風力發電控制系統的運行是無規律性的，風力發電的轉化因風能的不確定性而表現出不可控的特點，相應的關系也難以確定和計算，而通過對微分幾何控制技術的運用則可以更好地控制風能和電能的相互轉化，借助相應智能信息技術更全面地掌握風力發電系統中不同環節之間的聯系關系，繼而實現進行更加精準的控制，提高風能向電能轉化的質量與效率。對于微分幾何控制技術的實踐應用過程是根據風力發電系統的運行情況對控制系統發布科學指令，經過人工和計算機計算分析得到指令執行結果。

與風速作對比，得到數據參數后按照系統運行實際進行調節，由此達到控制運行的目的，確保風力發電系統運行的穩定性和高效性。微分幾何控制技術的應用重點是圍繞線性關系數據進行的，可以更好地實現對風力發電系統中非線性關系的精確統計與計算，繼而達到高效控制風能轉換的 目的。

2.4.3 自適應控制技術

自適應控制技術在風力發電系統中的應用可以大大改善運行參數的動態變化速度，平衡運行參數變化、模型反應的靈敏度，從而獲得更加穩定的控制效果。在具體應用中，自適應控制技術會根據對風力發電系統運行狀態的精準捕捉來掌握其運行變化情況，一旦其運行變化較為明顯或異常時，自適應控制系統就會及時發現并隨之做出判斷和措施，如對控制器的參數進行適當調整，對系統運行速度進行適當調節等，確保風力發電系統運行的穩定性與安全性，并發揮其最優效果，維護風能與電能的有效轉化。另外，自適應控制技術還可以改善變速控制系統模型構建困難的問題，通過自適應控制器的應用對風力發電機組非交流電變槳距控制進行綜合研究并設定與之相應的系統，在自適應控制器作用下獲得更靈敏的捕捉效果，實現更精準的控制，確保風力發電系統的穩定安全運行，也能更好地控制電能的轉換。

2.4.4 滑模變結構控制技術

風力發電系統的構成是非常復雜的，因其屬于非線性系統，因而相關系統模型的構建比較難，通過利用滑膜變結構控制技術可以實現較好的控制效果?；ぷ兘Y構控制技術的優點表現在設計簡單、響應速度快，且抗干擾性強、魯棒性強，能夠規避外界對雙饋感應電機的干擾，避免參數出現誤差，減低抖振現象的發生率。風力發電機組的參數存在不確定性的特點，且其所對接的電網也存在波動現象，利用滑膜變結構控制技術將滑膜變結構控制器應用到風力發電系統中，實現對額定風速上下波動范圍內運行狀態的穩定控制，降低風力發電機組所承受的荷載作用，讓轉速脈動減小到合理范圍，并維護輸出功率的穩定性，實現精準有效的控制。

2.5 無功功率補償技術與諧波消除技術

無功功率補償技術在風力發電系統中的應用較為廣泛，其具體應用主要是為了減少電壓的波動對感性元件的影響。風力發電系統在運行過程中受到感性元件的作用而出現無功功率消耗的情況，電壓經過時其兩邊并沒有電壓的變化反應，然而當所經過電壓較強時，感性元件就會受到較為嚴重的損害，對系統運行穩定性產生不利影響。這時，無功功率補償技術就可以發揮作用，平衡電壓電流，抑制諧波作用，避免對元件產生影響。諧波消除技術即消除風力發電過程中的諧波所采用的技術，因諧波的存在會對風力發電機組的性能與正常運行產生破壞，導致發電機出現鐵損、熱故障、超同步諧振等問題，繼而干擾發電穩定性，所以需采取措施進行消除。諧波消除技術的應用依靠相關設備實現，如采用電力變流器使相位抵消諧波；使用三角連接方式控制諧波進入 量等。

3 結語

綜上所述，隨著人們對電力能源需求量的增多，能源與人類發展、與環境發展之間的矛盾愈加突出，清潔能源的開發利用成為能源結構的主要發展方向。風能作為可再生清潔能源被廣泛開發利用，通過風力發電系統的運轉將風能高效轉化為電能，滿足人們的用電需求，并大大減少對自然環境的污染影響。而風力發電系統的穩定運行必須重視控制技術的應用，在風力發電系統中合理運用定槳距控制技術、變槳距控制技術、風輪控制技術、微分幾何控制技術等，能夠保障系統的有序運轉，發揮風力發電的最優效用，提升風力發電整體質量。在未來的電能開發利用中，還需進一步深化風力發電系統控制技術的研究，推動風力發電模式的創新 發展。