喻 挺

云南中云點(diǎn)新能源有限責(zé)任公司，云南昆明 650228

1 風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)新進(jìn)展的研究分析

1.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制的必要性

自然風(fēng)會在速度大小以及方向上產(chǎn)生隨機(jī)變化，因此，有效控制發(fā)電系統(tǒng)具有重要意義，包括控制機(jī)組的切入與切出電網(wǎng)、限制輸出功率、檢測風(fēng)輪在運(yùn)行過程中的故障并加以保護(hù)等。從定槳距恒速運(yùn)行技術(shù)到變槳距變速運(yùn)行技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)在近年來得到了很大發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到基本供電目標(biāo)。就風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，其重要技術(shù)之一就是調(diào)節(jié)機(jī)組功率，其調(diào)節(jié)方法主要有三種，即主動失速調(diào)節(jié)、定槳距失速調(diào)節(jié)以及變槳距調(diào)節(jié)等。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已經(jīng)實現(xiàn)了變槳距變速運(yùn)行，利用風(fēng)速、風(fēng)向變化，風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)不僅可對機(jī)組實現(xiàn)并網(wǎng)、脫網(wǎng)和調(diào)向控制，還能利用變距系統(tǒng)有效控制機(jī)組的功率及轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全、速度的有效提升，大大促進(jìn)了電力行業(yè)發(fā)展[2]。

1.2 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀

從技術(shù)層面上看，國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電企業(yè)主要采取“三步走”戰(zhàn)略，即引進(jìn)技術(shù)、消化吸收、自主創(chuàng)新。目前我國5WM容量等級的風(fēng)電設(shè)備逐步退出市場，取而代之的是兆瓦級風(fēng)電機(jī)組，這也就意味著我國具備自主研發(fā)兆瓦級風(fēng)機(jī)的技術(shù)能力。除此之外，風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)在近年來也有了蓬勃發(fā)展，國產(chǎn)機(jī)組占據(jù)著越來越高的國內(nèi)市場份額。就風(fēng)電行業(yè)而言，國產(chǎn)風(fēng)電裝備已經(jīng)可以有效滿足我國風(fēng)電發(fā)展要求，例如，風(fēng)電機(jī)組整機(jī)、關(guān)鍵性零部件等，但是一部分技術(shù)要求高的部件還要進(jìn)口，如主軸軸承、變流器等。因此，加強(qiáng)風(fēng)電裝備制造技術(shù)創(chuàng)新、提高自主研發(fā)能力非常必要且重要。作為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的重要組成和關(guān)鍵部分，風(fēng)電控制技術(shù)更是成為了當(dāng)前研究的重難點(diǎn)。

2 風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)分析

2.1 風(fēng)輪控制技術(shù)

要想風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高，必須盡可能降低風(fēng)能在獲取過程中的消耗量，就風(fēng)輪而言，其控制技術(shù)主要包括以下幾種。

2.1.1 葉尖速比控制

在風(fēng)力作用下，風(fēng)輪的風(fēng)葉尖端的轉(zhuǎn)動線速度就叫做葉尖速。而葉尖速比就是指葉尖速和該時間段風(fēng)速的比值。葉尖速比控制方法就是通過對葉尖速比值進(jìn)行有效控制，以此優(yōu)化風(fēng)機(jī)系統(tǒng)?？紤]到風(fēng)速不同，并在此基礎(chǔ)上確定最佳葉尖速比，由于無法調(diào)節(jié)和控制自然風(fēng)的速度、風(fēng)力大小，因此，要想實現(xiàn)控制功能，必須對葉尖速進(jìn)行調(diào)整和改變，包括對風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)整，以此調(diào)節(jié)風(fēng)輪最外邊緣的速度，從而優(yōu)化葉尖速比。

2.1.2 功率信號反饋控制

通過該方法來控制風(fēng)輪的功率信號。在風(fēng)輪運(yùn)行過程中，其功率會隨著條件的改變而改變，這是功率信號反饋控制方法的應(yīng)用基礎(chǔ)。通過分析功率關(guān)系進(jìn)行最大功率曲線的繪制，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)操作。在具體實踐過程中，將最大功率和進(jìn)行系統(tǒng)實際輸出功率分析比較，獲得二者差值，然后據(jù)此調(diào)整風(fēng)輪槳矩，確保風(fēng)輪運(yùn)行功率達(dá)到最大。這一方法可以有效降低控制成本，但是值得注意的是，在風(fēng)機(jī)日常運(yùn)行過程中，最大功率曲線的獲取是一項技術(shù)難題[3]。

2.1.3 爬山搜索控制

通過該方法對風(fēng)機(jī)的功率點(diǎn)進(jìn)行控制，其圖像形似拋物線，最高處即為最大功率點(diǎn)。如果對當(dāng)前工作點(diǎn)位置不能確定，可適當(dāng)增加風(fēng)輪轉(zhuǎn)動速度，以此改變系統(tǒng)輸出的直流功率，當(dāng)系統(tǒng)輸出的直流功率加大時，最高點(diǎn)在拋物線左側(cè)，反之在右側(cè)。利用該方法能夠?qū)⒆畲蠊β庶c(diǎn)及時找出，在此基礎(chǔ)上確定風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。然而，如果風(fēng)輪在轉(zhuǎn)動時存在較大慣量，其轉(zhuǎn)速很難改變，這是該方法的主要缺點(diǎn)。

茅臺圍繞著“酒”進(jìn)行了許多高質(zhì)量的研究，并且都取得了可喜成績。從太空誘變育種，到茅臺酒香氣香味特征及功能組分研究；從全面深入探尋對茅臺酒風(fēng)格特征有主要貢獻(xiàn)的風(fēng)味物質(zhì)，到開發(fā)大曲風(fēng)味物質(zhì)定性分析方法；從開發(fā)陶壇容量速測軟件，到建立白酒中三萜物質(zhì)角鯊烯的定量方法。茅臺逐步建成了食品安全預(yù)警、研發(fā)、評估、監(jiān)控四大平臺聯(lián)動的食品安全特色管理體系。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)與相關(guān)電力電子變換器控制技術(shù)

2.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制技術(shù)

風(fēng)力是風(fēng)力發(fā)電的能量來源，由于風(fēng)力在距地面位置較高處更大，因此能量轉(zhuǎn)化需在高空完成。發(fā)電機(jī)及其相關(guān)設(shè)備應(yīng)當(dāng)盡可能提高其工作效率，并減輕其重量。永磁發(fā)電機(jī)具有損耗小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用。目前可采取模塊化方式進(jìn)行發(fā)電機(jī)制造，以此實現(xiàn)制作成本的降低。除此之外，在控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)時，通常采取矢量控制方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)直軸電流以及交軸電流二者的耦合解除，由此降低系統(tǒng)功率因數(shù)的控制難度。

2.2.2 電力電子變換器控制技術(shù)

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，其電力電子變換器必須具備下列特征：具有較廣的使用面，能夠在大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到高效應(yīng)用；在對風(fēng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)換時，具有較高的能量轉(zhuǎn)換率，在轉(zhuǎn)換完成后，還要具有較高的傳輸效率；能夠?qū)o功功率進(jìn)行有效條件，實現(xiàn)功率因素的改善；具有較高的可靠性和安全性能。在確保運(yùn)行效率較高的同時，具有大范圍功率；設(shè)備成本不高，經(jīng)濟(jì)合理等。在風(fēng)電系統(tǒng)中使用PWM整流器，可以對系統(tǒng)最大功率進(jìn)行有效控制。在使用整流器時，采取矢量控制方式能夠?qū)⒂泄β逝c無功功率之間的耦合解除，確保得到的無功功率滿足運(yùn)行要求。除此之外，PWM整流器還能確保有功功率的輸出量達(dá)到最大，通過對直流環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)置，從而有效調(diào)節(jié)風(fēng)電系統(tǒng)的無功功率和有功功率。

2.3 風(fēng)能發(fā)電中的諧波消除與無功功率補(bǔ)償

2.3.1 諧波消除

在風(fēng)機(jī)發(fā)電過程中，諧波的存在會降低電能整體質(zhì)量，導(dǎo)致電的頻率、電壓等受到影響，破壞無功功率和有功功率之間的平衡性，因此必須將諧波的存在盡量消除。在實際運(yùn)行階段，諧波對風(fēng)能發(fā)電的影響包括以下方面：增加發(fā)電機(jī)鐵損、銅損，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出現(xiàn)超同步諧振；在電力設(shè)備運(yùn)行過程中，諧波可能會引發(fā)設(shè)備熱故障，導(dǎo)致系統(tǒng)正常運(yùn)行受到干擾；導(dǎo)致控制電路及保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)無動作，影響傳感器的準(zhǔn)確性；損壞電子設(shè)備，帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。諧波消除方法包括下列幾點(diǎn)：首先，利用電力變流器等電力設(shè)備，使其相位和諧波相互抵消；其次，諧波會導(dǎo)致無功功率增加，對電容器組進(jìn)行合理調(diào)整，以此實現(xiàn)無功功率的改變，降低諧波對其影響；最后，采用三角形連接方式進(jìn)行連接，將諧波進(jìn)入量盡可能減小。此外，還可以根據(jù)實際情況進(jìn)行濾波器的加設(shè)。

2.3.2 無功功率補(bǔ)償

受感性元件影響，電力系統(tǒng)中的無功功率會產(chǎn)生消耗現(xiàn)象。當(dāng)電壓通過感性元件時，由于僅僅是無功功率出現(xiàn)消耗，感性元件兩端的電壓不會產(chǎn)生變化，如果存在較高電壓，感性元件會有大電流通過，可能會損壞元件設(shè)備。這種情況下，應(yīng)當(dāng)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，對諧波作用進(jìn)行抑制。電容投切法在無功功率補(bǔ)償中有著廣泛應(yīng)用，但是該方法也存在一定缺點(diǎn)，例如：如果在相同時間內(nèi)投入的電容容量過大，會導(dǎo)致電壓波動產(chǎn)生。

2.4 現(xiàn)代控制技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)代控制技術(shù)主要有以下幾種：變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制以及智能控制等。在風(fēng)電系統(tǒng)中，變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用較廣，其主要原因為該控制方法具備響應(yīng)速度快、設(shè)計簡便、便于實現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)；在對多變量問題進(jìn)行處理時，魯棒控制能夠取得良好效果，對于穩(wěn)定性較強(qiáng)的魯棒控制，更是能夠直接解決參數(shù)不準(zhǔn)、建模誤差以及物質(zhì)系統(tǒng)受干擾等控制問題；智能控制方法較多，其中最典型的是模糊控制。模糊控制對于數(shù)學(xué)模型依賴程度較低，可以依靠專家經(jīng)驗對非線性因素的影響進(jìn)行有效克服?，F(xiàn)階段，建立精確的風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型難度較大，因此在控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時，模糊控制能夠取得良好效果，已經(jīng)受到廣大研究人員的關(guān)注和重視。

3 結(jié)語

綜上所述，社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動了電力行業(yè)的發(fā)展。作為國家重要的基礎(chǔ)性行業(yè)，電力行業(yè)不僅直接關(guān)系到人們的生產(chǎn)生活，而且對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要影響。近年來，國家加大了對風(fēng)力發(fā)電的資金和技術(shù)投入，風(fēng)力發(fā)電取得了顯著成就。由于風(fēng)電具有環(huán)保清潔、易獲取、成本低等特點(diǎn)，其應(yīng)用前景十分廣闊。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)機(jī)控制逐漸向著智能化、自動化方向發(fā)展，加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究、開發(fā)與應(yīng)用，能夠大大提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作效率和工作質(zhì)量，進(jìn)而實現(xiàn)風(fēng)能利用率的增加，推動電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。