控制技术在风力发电系统中的应用

李 伟 井兴洋

（中国电建集团河北工程有限公司，河北 石家庄 050000）

风力发电作为一种利用可再生能源进行发电的新型模式，其不仅对当前电力能源供应发挥支撑作用，而且拥有十分广阔的发展前景，在未来将成为电力供应的主要保障，尤其是大型风力发电系统将成为重点开展目标。风力发电系统的运行需要多种机械装置的协同，因而控制技术的运用是十分关键的。

1 风力发电系统的工作原理与特点

1.1 风力发电系统的工作原理

风力发电借助风能进行发电，风力发电系统是将风能转化为电能的主要装置，其运行组件有发电机、叶轮、桨叶、变速箱、变流器等，是新型发电模式的主要代表之一。因其所利用的风能属于清洁能源，所以在当前电力能源开发中应用十分广泛。

风力发电系统的工作原理如图1所示，由桨叶收集风能后经过主轴承和齿轮作用转化为机械能，再通过异步发电机将机械能转化为交流电形式的电能，接着借助变流器的作用使交流电电压得以平衡，形成生活生产所需的与电网电压同等水平的交流电，经变压器直接进入电网中与供电系统对接，供人们使用。

图1 风力发电系统工作原理

1.2 风力发电系统的特点

风力发电系统的运行实现了风能向机械能再向电能的转变。在风力发电系统的运行中，风轮、发电机是重要部件。从风力发电系统工作原理来看，其特点主要表现为：所处环境较为恶劣，能够带动桨叶转动的风力要求较高。通常，在空旷野外或者海拔较高处才能满足这一点。因而，风力发电系统所处的环境通常比较恶劣，对风力发电系统的性能水平提出更高标准的要求。能源转换效率高，风力发电系统的运行能够实现较高效率的能源转换，虽然风速是不断变化且不稳定的，但其风能转化电能的最高利用率可以达到60%左右，一般性的转化率也在40%左右，风能利用率较高。清洁污染少，风能是可再生资源，风力发电系统在将风能转化为电能的过程中所依靠的是机械装置，不需要使用燃料也不会产生辐射，因而所产生的污染是极小的，带来的环境效益是非常好的。

2 控制技术在风力发电系统中的应用

2.1 定桨距控制技术的应用

定桨距控制技术在当前风力发电系统制造行业中的应用非常广泛，其使用率较高，主要运用在大型风力发电机组设备中。该控制技术最早出现在丹麦的风力发电设计中，其以桨叶翼型失速理论为基础，技术作用方式为当风速保持额定值范围时将气流攻角控制在特定值域，这时桨叶上就会形成涡流，继而实现对系统运行功率的有效控制，定桨距控制技术的工作原理就是如此。当轮毂上所设置的桨叶发生失速现象时，在技术控制下就可以直接控制其最大功率，因而也就达到了控制风力发电质量的效果，避免风力发电系统的过度损耗，有效提升电能转换效率。

2.2 变桨距控制技术的应用

变桨距控制技术是在纵向轴心叶片基础上实现的调节控制，通过变桨距风电机组的运行达到控制效果。具体过程可分为3个环节。首先，将变桨距风电机组打开，保持运行状态，对节距角进行计算并调整，当额定转速达到并超过0.5倍风速时继续对节距角进行调整，确保其角度位置的合理，从而实现对机组转速的有效控制，保证并网发电功能的正常运行。其次，额定风速高于风速时，变桨距风电机组的功率大小直接与桨叶的气动性能相关，这时依照风速大小对发电机的转差率进行调节，让叶尖速比保持最优，实现对功率的有效控制，并确保其稳定有效输出。最后，当变桨距风电机组的功率与额定功率处于一致水平时，表明风力发电系统的运行趋向于稳定状态，这时需对输出功率进行相应调整，按照输出功率与额定功率的大小比，当前者大于后者时调整桨叶的节距角。另外，以风力发电机组容量为标准，当其高于750kW时可采用此技术进行调节控制。

2.3 风轮控制技术的应用

风轮控制技术发挥作用在于两个要点：①功率信号反馈。通过掌握所反馈的功率信号信息实现对风轮功率的有效调节控制，在风轮运行过程中结合实际条件分析功率的影响因素和关系，利用相应技术及所获信息参数绘制最大功率曲线图，将风力发电系统的实际输出功率与最大功率做对比，计算其差值，之后再根据差值大小对风轮桨距进行调节，使其运行功率保持最大化水平。②叶尖速比的调节。叶尖速是指在风力作用影响下桨叶尖端转动时的线速度，叶尖速比是指叶尖速和风力作用下的风速的比。控制叶尖速比可以实现对风轮的控制，进而达到改善风力发电系统运行状态的效果。风速是不可控且不断变化的，叶尖速的最优比值其实并不易确定，因而需通过控制叶尖速以及调节风轮转矩的方式来灵活调整叶尖速比，让风轮外边缘的速度保持在合理范围内，继而达到优化叶尖速比的效果，有效控制风力发电系统的 运行。

2.4 信息化控制技术的应用

2.4.1 专家系统

专家系统是应用较为广泛的一种信息化控制技术，依托于智能技术的支持对风力发电机组的运行状态进行故障诊断，精准判断故障问题，为故障处理提供参考，有效解决问题并达到全面控制。风力发电系统的构成较为复杂，且各个部件之间的相关性较强。当一个部件发生故障时将会对整个机组的运行稳定性产生影响，对此则借助专家系统掌握故障信息，并进行精准处理。专家系统的应用前提是根据风力发电系统的具体情况和构成，以及对机组电流信号的分析，明确特征向量，然后建立故障诊断的专家模型，在模糊控制的基础上对系统故障问题进行位置判断、原因分析，获得故障的具体信息后可采取针对性技术或手段进行改进和优化，由此实现对风力发电系统的优化控制。

2.4.2 微分几何控制技术

风力发电系统的运行中电能的转化量与风力的大小与速度有着直接的联系。当风力较大、风速较快时所获得的电能量也更多，因而为确保电力资源的充足需对风能进行更加全面的捕捉。微分几何控制技术的运用就可以达到这一目的，可以增强风力发电系统对风能的敏感度，继而实现精准、快速且全面的捕捉，以获得充足的风能进行电能转化。通常，风力发电控制系统的运行是无规律性的，风力发电的转化因风能的不确定性而表现出不可控的特点，相应的关系也难以确定和计算，而通过对微分几何控制技术的运用则可以更好地控制风能和电能的相互转化，借助相应智能信息技术更全面地掌握风力发电系统中不同环节之间的联系关系，继而实现进行更加精准的控制，提高风能向电能转化的质量与效率。对于微分几何控制技术的实践应用过程是根据风力发电系统的运行情况对控制系统发布科学指令，经过人工和计算机计算分析得到指令执行结果。

与风速作对比，得到数据参数后按照系统运行实际进行调节，由此达到控制运行的目的，确保风力发电系统运行的稳定性和高效性。微分几何控制技术的应用重点是围绕线性关系数据进行的，可以更好地实现对风力发电系统中非线性关系的精确统计与计算，继而达到高效控制风能转换的 目的。

2.4.3 自适应控制技术

自适应控制技术在风力发电系统中的应用可以大大改善运行参数的动态变化速度，平衡运行参数变化、模型反应的灵敏度，从而获得更加稳定的控制效果。在具体应用中，自适应控制技术会根据对风力发电系统运行状态的精准捕捉来掌握其运行变化情况，一旦其运行变化较为明显或异常时，自适应控制系统就会及时发现并随之做出判断和措施，如对控制器的参数进行适当调整，对系统运行速度进行适当调节等，确保风力发电系统运行的稳定性与安全性，并发挥其最优效果，维护风能与电能的有效转化。另外，自适应控制技术还可以改善变速控制系统模型构建困难的问题，通过自适应控制器的应用对风力发电机组非交流电变桨距控制进行综合研究并设定与之相应的系统，在自适应控制器作用下获得更灵敏的捕捉效果，实现更精准的控制，确保风力发电系统的稳定安全运行，也能更好地控制电能的转换。

2.4.4 滑模变结构控制技术

风力发电系统的构成是非常复杂的，因其属于非线性系统，因而相关系统模型的构建比较难，通过利用滑膜变结构控制技术可以实现较好的控制效果。滑膜变结构控制技术的优点表现在设计简单、响应速度快，且抗干扰性强、鲁棒性强，能够规避外界对双馈感应电机的干扰，避免参数出现误差，减低抖振现象的发生率。风力发电机组的参数存在不确定性的特点，且其所对接的电网也存在波动现象，利用滑膜变结构控制技术将滑膜变结构控制器应用到风力发电系统中，实现对额定风速上下波动范围内运行状态的稳定控制，降低风力发电机组所承受的荷载作用，让转速脉动减小到合理范围，并维护输出功率的稳定性，实现精准有效的控制。

2.5 无功功率补偿技术与谐波消除技术

无功功率补偿技术在风力发电系统中的应用较为广泛，其具体应用主要是为了减少电压的波动对感性元件的影响。风力发电系统在运行过程中受到感性元件的作用而出现无功功率消耗的情况，电压经过时其两边并没有电压的变化反应，然而当所经过电压较强时，感性元件就会受到较为严重的损害，对系统运行稳定性产生不利影响。这时，无功功率补偿技术就可以发挥作用，平衡电压电流，抑制谐波作用，避免对元件产生影响。谐波消除技术即消除风力发电过程中的谐波所采用的技术，因谐波的存在会对风力发电机组的性能与正常运行产生破坏，导致发电机出现铁损、热故障、超同步谐振等问题，继而干扰发电稳定性，所以需采取措施进行消除。谐波消除技术的应用依靠相关设备实现，如采用电力变流器使相位抵消谐波；使用三角连接方式控制谐波进入 量等。

3 结语

综上所述，随着人们对电力能源需求量的增多，能源与人类发展、与环境发展之间的矛盾愈加突出，清洁能源的开发利用成为能源结构的主要发展方向。风能作为可再生清洁能源被广泛开发利用，通过风力发电系统的运转将风能高效转化为电能，满足人们的用电需求，并大大减少对自然环境的污染影响。而风力发电系统的稳定运行必须重视控制技术的应用，在风力发电系统中合理运用定桨距控制技术、变桨距控制技术、风轮控制技术、微分几何控制技术等，能够保障系统的有序运转，发挥风力发电的最优效用，提升风力发电整体质量。在未来的电能开发利用中，还需进一步深化风力发电系统控制技术的研究，推动风力发电模式的创新 发展。