譚俊

（西門子風(fēng)力發(fā)電葉片（上海）有限公司上海分公司，上海 200082）

隨著社會的發(fā)展，社會各界對電能供應(yīng)的需求不斷增加，推動著供電領(lǐng)域的快速發(fā)展。風(fēng)力作為一種重要的可再生清潔能源，利用風(fēng)能實現(xiàn)發(fā)電，對供電行業(yè)與社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。風(fēng)力發(fā)電機組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的重要系統(tǒng)，而在風(fēng)力發(fā)電機組當中，控制系統(tǒng)屬于關(guān)鍵的組成部分，需要加強關(guān)注，采取科學(xué)的控制技術(shù)合理控制風(fēng)力發(fā)電機組，能夠促使該機組發(fā)揮其最大功效，推進風(fēng)能至電能的可靠轉(zhuǎn)化。

1 風(fēng)能的開發(fā)和利用

以往人們通過犧牲能源換取經(jīng)濟發(fā)展，近年來，隨著社會的快速進步，能源耗竭的問題日益突出，環(huán)境污染問題也日漸嚴重。為了維持人類生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，需要加強關(guān)注并切實解決環(huán)境問題和能源問題。煤炭、石油等常規(guī)能源由于其不可再生的性質(zhì)和污染環(huán)境的特點，需要盡量節(jié)約和減少使用，積極開發(fā)并利用風(fēng)能等可再生清潔能源，這不僅有利于保護生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，還有利于推進社會經(jīng)濟的發(fā)展。

我國擁有豐富的風(fēng)力資源，相比常規(guī)的能源發(fā)電，利用風(fēng)力發(fā)電能夠大大降低生產(chǎn)成本，并保護生態(tài)環(huán)境。風(fēng)力發(fā)電機組是對風(fēng)能實現(xiàn)利用的重要系統(tǒng)，在科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展過程中，該系統(tǒng)的控制技術(shù)也得到了全面進步，并更趨向于高可靠性、智能化以及輕盈化的方向發(fā)展。對于風(fēng)力發(fā)電，不僅投資靈活，占地面積小，并且施工周期相對較短，經(jīng)濟效益和社會效益得到雙發(fā)展。國家對風(fēng)力開發(fā)企業(yè)也給予了重要的政策支持，近年來，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，進一步推進了對風(fēng)能的有效開發(fā)和利用，也促使風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)不斷進步。

2 風(fēng)力發(fā)電機組分類

風(fēng)力發(fā)電機組的類別劃分，主要的依據(jù)是不同的風(fēng)力發(fā)電機組其自身特點以及相應(yīng)的應(yīng)用效果。結(jié)合不同的風(fēng)力發(fā)電機組，其應(yīng)用的地域差異，將其主要分為陸上風(fēng)力發(fā)電和海上風(fēng)力發(fā)電兩種類型，其中，海上風(fēng)力發(fā)電屬于近幾年較為流行并發(fā)展較快的機組類別，也是目前主要的發(fā)展趨勢。結(jié)合不同發(fā)電機其自身容量的大小，將其分為大型風(fēng)力發(fā)電機組和中型風(fēng)力發(fā)電機組，其中大型發(fā)電機組主要應(yīng)用于海上發(fā)電，效果較為突出，也成為目前研發(fā)發(fā)電機組的重點對象。結(jié)合不同的風(fēng)力發(fā)電機組的類型，將其分為直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組和雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組，其中直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組沒有齒輪增速箱，其電機通常使用的是同步發(fā)電機，而雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)有齒輪增速箱，其電機通常使用的是異步發(fā)電機。結(jié)合不同的風(fēng)力發(fā)電機組槳距的特性，將其分為變槳距風(fēng)力發(fā)電機組和定槳距風(fēng)力發(fā)電機組，其中變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的自身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，控制方式也存在較大的復(fù)雜性，不過其在利用過程中，對風(fēng)能的利用效率更高，并且能夠?qū)敵龉β蕦崿F(xiàn)全面優(yōu)化，是風(fēng)電控制的重要發(fā)展方向。

3 風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)分析

3.1 H∞魯棒控制

Hardy空間是H∞魯棒控制的理論基礎(chǔ)，借助個別性能指標相應(yīng)無窮范數(shù)的優(yōu)化，以獲取擁有魯邦性能的控制器。H∞魯棒控制能夠?qū)Χ嘧兞康膯栴}實現(xiàn)良好的處理，并在其較為嚴格且精準的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，對建模初期存在的相應(yīng)誤差進行解決。在風(fēng)能激勵的時候，H∞相應(yīng)范數(shù)為最小，此時控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最穩(wěn)定的輸出，并保障系統(tǒng)依據(jù)既定目標軌跡進行穩(wěn)定運行，H ∞魯棒控制屬于控制風(fēng)力發(fā)電機組的一項重要技術(shù)。當風(fēng)向以及風(fēng)速處于不穩(wěn)定且變化頻繁的情況下，可以通過H∞魯棒控制的相關(guān)原理來控制變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，促使系統(tǒng)快速追蹤風(fēng)能，確保可以提高風(fēng)能的利用率，對風(fēng)能的捕獲率也更高。

3.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制

由于風(fēng)力發(fā)電機組屬于一個非線性系統(tǒng)，在運行過程中具有復(fù)雜多變的特性，同時還會在運行當中遇到負載、風(fēng)向以及風(fēng)力等的變化，影響自身運行，所以，難以通過數(shù)學(xué)模型的準確來建立控制該機組。而滑模變結(jié)構(gòu)控制屬于開關(guān)型控制，具有不連續(xù)控制的特點，在將系統(tǒng)進行預(yù)先設(shè)定之后，當相應(yīng)條件滿足了設(shè)定條件，系統(tǒng)只能在相應(yīng)的特定空間當中進行滑模運動，設(shè)計上相對較為簡單，并且相應(yīng)的速度很快，對系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生的變化也不會過于敏感，還具有較強的魯棒性，可操作性非常強，等等優(yōu)點都將保障系統(tǒng)能夠在參數(shù)處于不確定的狀態(tài)當中可以穩(wěn)定運行，并能夠?qū)︼L(fēng)力系統(tǒng)在相應(yīng)的最大功率限制上實現(xiàn)滿足，能夠有效控地制風(fēng)力發(fā)電機組。

3.3 矢量控制

通過矢量控制，能夠?qū)︼L(fēng)能進行最大化的跟蹤，同時還可促使無功功率和有功功率兩者獨立解耦調(diào)節(jié)，該控制系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力和適用能力，還可在較短時間范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定控制。雙饋電機相應(yīng)控制系統(tǒng)當中對矢量控制的應(yīng)用較為普遍，不過因為轉(zhuǎn)子電流勵磁分量相應(yīng)多少會對發(fā)電機組自身的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，所以會一定程度的限制無功補償量的大小。

3.4 最優(yōu)控制

風(fēng)力發(fā)電機組基本上都是處于非線性、干擾較大并且風(fēng)速變量具有較大不確定性的環(huán)境當中，不能通過精確的數(shù)學(xué)控制來控制機組，但是可以利用最優(yōu)系統(tǒng)控制對風(fēng)力發(fā)電機組實現(xiàn)最優(yōu)控制。該控制技術(shù)能夠通過線性化模型的相關(guān)設(shè)計，對周圍工作點實現(xiàn)準確尋找，同時在大范圍下通過反饋實現(xiàn)精確解耦線性化，以此最大程度地控制和捕捉風(fēng)力和風(fēng)能。針對電功率波動較小和有功功率、無功功率的輸出相應(yīng)要求矛盾，能夠有效的通過最優(yōu)控制系統(tǒng)實現(xiàn)折中解決，該系統(tǒng)還可有效抑制由于線路故障導(dǎo)致的相應(yīng)電壓的擾動。

3.5 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論主要是以生物以及人類相應(yīng)的學(xué)習(xí)功能、判斷功能以及適用功能等為基礎(chǔ)進行研究的理論，該理論的自組織性和自適應(yīng)性都比較強，能夠?qū)ψ兓瘒乐氐牟淮_定風(fēng)力進行良好的適應(yīng)和準確捕捉，能有效推進風(fēng)力發(fā)電機組向高智能化方向發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是智能控制技術(shù)中的一種重要技術(shù)。風(fēng)速特定、預(yù)測地點以及預(yù)測周期都直接影響風(fēng)速預(yù)測的準確性，基于此，可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對風(fēng)速進行合理預(yù)測，也就是通過時間序列模型實現(xiàn)風(fēng)速輸入變量的確定，在對風(fēng)速變量進行采集之后，可以通過回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)有效預(yù)測。針對非線性系統(tǒng)，非常適合使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且在利用過程中不需要進行數(shù)學(xué)模型的精確建立，只需要利用其強大的控制能力和自適應(yīng)力，即可轉(zhuǎn)化電能質(zhì)量，該系統(tǒng)能夠在風(fēng)向與風(fēng)速具有較大不穩(wěn)定性和不確定性的環(huán)境當中實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的運行。

3.6 模糊控制

在多種智能控制方法當中，模糊控制屬于典型的智能控制法，該方法以模糊推理和語言規(guī)則為基礎(chǔ)，是一種高級控制策略，非線性因素不會對其產(chǎn)生直接影響，魯棒性較強。對風(fēng)力發(fā)電機組進行模糊控制，有利于促使風(fēng)能利用率的大大提高，并跟蹤最大功率，還具有變速恒頻的特點。模糊控制理論由于自身優(yōu)越的特點突出，并在發(fā)展當中有效結(jié)合了仿人智能技術(shù)、人工智能技術(shù)以及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，全面推動了風(fēng)力發(fā)電機組控制技術(shù)的飛速發(fā)展。比如將模糊控制技術(shù)應(yīng)用到變槳距并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組當中，能夠有效對控制系統(tǒng)相應(yīng)的動態(tài)特性實現(xiàn)全面改善，同時還對調(diào)節(jié)葉尖速比、風(fēng)輪槳距角以及風(fēng)力機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)有效控制，促使風(fēng)力發(fā)電機組實現(xiàn)恒定頻率和恒功率輸出，相比PID控制器，模糊控制對抖振實現(xiàn)了有效控制，不僅減少抖振，還將促使系統(tǒng)的質(zhì)量和運行效率更高。

4 結(jié)語

由于以往電力企業(yè)對不可再生能源過多的利用，造成了重要的能源消耗和環(huán)境污染，影響人類的長期發(fā)展，因此，通過風(fēng)力發(fā)電機組實現(xiàn)對風(fēng)能這一可再生清潔能源的有效開發(fā)和利用，對保持社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。風(fēng)力發(fā)電機組是實現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的重要系統(tǒng)，利用各種現(xiàn)代技術(shù)實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機機組的高效控制，有助于提升風(fēng)能的捕捉率和利用率，所以，為了進一步加大利用風(fēng)能，需要積極利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，進一步創(chuàng)新風(fēng)力發(fā)電機組控制技術(shù)。