新能源风力发电系统中自适应控制技术的应用及未来前景探讨

鲁 民，李冰皓

（1.国电电力广东新能源开发有限公司，广东 珠海 519000；2.邢台职业技术学院，河北 邢台 054035）

1 引 言

我国已经是一个集工业和制造业于一体的大国，其能源消耗量远大于其他国家。在全球气候变暖的大背景下，能源成为限制我国经济发展的瓶颈之一，如何利用新能源技术补充和逐步代替化石能源变得十分重要。大型城市群体的快速建设，使得电力供应缺口逐年扩大。针对能源短缺现状，人们对新能源风力发电空前关注，经过近20 年快速发展，我国风力发电已经具备相当规模，其发电成本和超低污染也可以向常规能源发起挑战。相信在不远的将来，新能源风力发电在发电市场中将占据举足轻重的位置，成为经济发展的强力助推器。然而，尽管国家在风力发电场投入大量资金，但由于风场地广人稀、来流风速随机等原因，有诸多问题仍然存在于风力发电控制系统中[1]。本文在风电控制系统中引入自适应控制的方案，定能取得明显的控制效果。

2 风力发电机组工作流程

风力发电场一般是由许多大型风力发电机组构成，就目前设施配置情况而言，常见的风力发电机组由风力机、传动、制动、变桨距系统、发电机以及电子控制系统组成。风力发电机组的工作原理，将捕获的风能转换为机械能，之后转换为电能进行有效输出。首先是风机叶片需通过大于3m/s 风带动，发电机内部线圈做切割磁感线运动，进而可产生感应电流，储能装置用电能的形式进行储存。此外，储能电池平稳负荷波动，对风力机组并网环节的稳定运行，也尤为重要。

风场发电系统的核心设备是风力机，风轮又是水平轴风力机的最核心部件，风轮叶片顶端线速与风速之比为叶尖速比，是衡量风机功率系数的重要参数。风力机中的回转体，在风向发生变化时，确保机头能水平旋转，使风轮迎风转动。风轮转速常常较慢，通过传动系统提高转数，进而与发电机所需高转速实现匹配。制动系统可实现风机组运行到停机的切换，是风力发电机组不受控情况下最后一道安全屏障，分运动制动和突发制动两种制动方式。目前，变桨距系统已经在风力机组中广泛应用，它主要是通过调节风轮叶片和气流之间的攻角，在风速较小时实现对风能捕获，风速超过额定时，增大攻角控制风轮转速。与之对应的定桨距系统在机组起动、制动、风能利用系数方面，效率远不及变桨距系统。风力发电机类型较多，可大致分为分为直流型和交流型。

3 自适应控制技术的应用

风力发电机组设备种类繁多，是一个综合复杂系统，一旦子系统出现问题，极有可能对全部系统正常工作产生影响。综合控制系统能够依据风速大小自动进入启动模式或电网切出；电网发生突发故障时，可及时确保机组安全停机；机组正常运行时间节点内，确保负荷、风况、工况运行全监控和记录，可自行判断异常情况并启动保护；对于风力机分散分布的实际特点，还应具备远程DCS 通信功能，实时异地操作。综合控制系统要监控风况、风向、机组运行效率、负载随机性、发电量、并网条件等诸多指标，才能组成一个完备的方案[2]。

风力发电控制系统易受到风能的影响，风能参数伴随诸多不确定性，兼具时变、随机等特性，建立完善有效的动态数据模型极为困难。为使系统保持在最优状态，实现对风能的有效捕捉，减少不确定因素的影响，笔者提出在综合控制系统中的两个环节引入自适应控制方案，视外界因素变化进而动态调整，优势凸显，发电效率提升。

3.1 在风力涡轮输出功率P 和发电机转速ω，当前风速V 之间建立自适应机制

建立在风力涡轮的输出功率P 和发电机转速ω 之间的关系，随来流风速的变化而变化。风速V处于某一恒定值时，系统中的发电机的转速ω，必存在某个特定ωt，让涡轮输出功率P 处于最大值Pmax。因实际发电过程中，风速保持恒定是理想状态，风速一般实时发生动态波动变化，故涡轮输出功率最大值Pmax随风速的变化动态漂移[3]。风速变化后，如果使Pmax保持不变，发电机转速ω 要做调整处理。因三者间建立的非线性关系，传统的PID 控制、模糊控制调整过程复杂，不能实现最优控制。

在系统中加装自适应控制器，在风力干扰因素改变的同时，自适应控制单元对被控装置的内部不确定参数动态、持续预估。同时，线性化模块利用之前反馈估算参数对被控设施的非线性进行有效消除。通过的自适应机制调整参数，进而实现输出功率最大值Pmax，优化整个系统，实现发电效率的最大化。

3.2 在发电机的输出功率P 和变桨距系统的攻角θ 之间建立自适应机制

变桨距系统通过实时改变叶片和气流之间的攻角，将风力机的风能转换效率提高，实现对发电机组功率输出的控制，在亟需机组停机时还可以提供空气动力制动。本文所构建的自适应调节机制，输入量采用发电机的输出功率或输出功率的变化量，输出量采用桨距角变化量，加装模糊自适应PID控制器，其控制结构如图1 所示。

图1 风力发电模糊自适应PID 控制结构图

与传统的火力、水利发电相比，风力发电过程中，极易受到风能影响，运行环节存在不确定性较多。在本环节中，单纯加入PID 控制器工作稳定性强，结构简单，但考虑到风力发电系统中突出存在的设定值和抑制扰动值，实时动态和静态固化，系统鲁棒性和控制稳定性之间的矛盾，其不能很好解决问题。另外，单独模糊控制具适应性强和过程平滑过渡的优点，但对于静态误差克服能力较弱。

基于以上二者优缺点，将两者进行有效结合，选用模糊自适应PID 控制器方案。该方法的原理是提前将系统性能指标、初始值、耦合度等先验知识备份到计算机知识库中，然后对系统相应进行分析，匹配之前建立的模糊推理规则，将PID 参数自动调整至最佳[4]。

模糊自适应PID 控制器的工作流程： 构建PID三项控制参数 (kp、ki、kd) 和偏差e 与偏差变化率ec之间的模糊隶属关系，在风力发电过程中，对e 和ec 动态实时监测，运用模糊推理，在线调整 kp、ki、kd三项参数，使之与系统要求最佳匹配，实现PID 参数自整定，整体满足“稳、准、快”。风力发电系统在加入该控制器后，发电机的输出功率P 比之前同等情况下有显著提高。

4 未来前景

风力发电是一种采用清洁、可再生能源的新型发电方式。我国每年在能源消费方面居世界前列，清洁能源的高效利用在节能减排、低碳环保方面都有十分重要的意义。但风力发电场大多建立在地广人稀的区域，在风况监视、机组参数、优化控制方面的问题较为复杂。风力发电是大范围、强风速扰动的非线性系统，正确把握平衡点位置，使整个控制系统视来流风速的变化而变化尤为重要。

风电系统中加入自适应控制策略，是运用智能化技术的一种类型，可以大大降低输出功率随机性，控制间歇性和波动性，抑制扰动。在控制系统中，加入智能化方案，是推进发电能源清洁化、多重化的可靠保证，也是增强系统自愈和高效应急的智能电网的核心力量[5]。因此，风力发电中自适应控制技术必将被广泛应用于各个环节，为打造我国“智能电网”提供有力支撑。

5 结 语

基于风力发电系统的实际情况，分析影响输出功率的诸多因素。对于风电系统建立数学模型，考虑到多变量、随机性、强耦合，提出在系统中的两个环节加入自适应控制技术。

第一项是实现动态实时检测，在线干预，消除非线性，提升效率；第二项的整体目标是使该系统对过程参数的变化，以及对难以建立模型环节的动态过程感知度降低，实现“稳、准、快”的目标。我国未来电力能源中，风力发电的地位会呈现逐年提高趋势。引入智能化控制技术，保障风力发电场运行高效稳定，是打造风电引领的重要途径。