关于大型风力发电机组控制技术分析

新疆华电苇湖梁新能源有限公司 孟 莉

风能供电方式的产生优化了产业结构，风能取之不尽、用之不竭，具有较强的安全性，故在实际生活中得到了广泛的应用。

1 风机发电机组工作原理

风力发电所带来的能量转换与风机运行系数成正比，风机运行系数越高所获得的能量转换数值越大，高效的风机运行更能保持良好的捕获风能功能。而持续高速运转的风能捕获系数与风速和风轮的转速密切相关，当风速转速处于最低值时，风力发电机组相应的提高风轮转速以确保风能捕获的有效性。但基于现实情况考虑，受各部件运行方式制约，发电机组的转速无法做到持续的加速或缓冲，当风速无限接近于最小值或最大值时，发电机组须保持最高上限或最低值域匀速轮转，因此在这一阶段内的发电功率同样维持匀速不变，当出现风速过快超越上限值域时就要发挥变桨系统的作用，通过变桨达到风轮转速和发电功率目的，这就是风力发电机组的基本控制原理。

风力发电机组是各个部件的总称。其中包含各式各样可直接参与或间接参与风力发电工作的组件，各个部件间的功能是相互衔接的，彼此起到了一定的辅助和保护作用，提高了风力发电机组整体保障性与安全性，实现了风力发电机组的有效工作。

1.1 风力机

风力机是将风能转化为机械能的物质基础，并通过机械能带动相关装置，通过发电机旋转进而转化为电能。风力机分为不同的种类，其中较常见及较广的风力机类型是水平轴式风力机和垂直轴式风力机。目前我国风力发电机领域应用较多的是水平轴式风力机，其通常又包括了上风向型风力机和下风向型风力机，上风向型风力机主要特点是可醒目地看见风轮叶片、位置在前；下风向型风力机则相反[1]。因二者物理性特点，上风向型风力机运转起来更加方便快捷，所以在大型风力发电机组的硬件应用中更加常见。常见的风力机还有单叶片式风力机、双叶片式风力机、三叶片式风力机及多叶片式风力机等，可根据风轮叶片的数目进行区分，目前最常见的风力机类型是三叶片式风力机。对于风力机的划分仍有不同标准，不予赘述。

在风力机正常运转情况下也不能将风能百分之百地有效利用，所以只能尽可能地实现风力机对风能的最大捕获量。叶片是风力机的组成部分，对于叶片材料的选择经历了很长一段时间技术上的进步，当前比较适用于叶片制造的材料主要是铝材、玻璃纤维和碳纤维复合材料。叶片的工作具有切实的理论依据，叶片装置的曲线设计很好地利用压力的作用，使自然的力量转化为人为所用。因为在叶片的上横面和下横面都存在一定的压力，二者之间的压力差能够使叶片产生一定的净升力，净升力的作用能够使风力机旋转，以此带动风力发电机组的整体工作。

1.2 发电机

发电机是风力发电机组工作的核心动力，通过发电机机械能转化为动能，再运用到实际的操作系统中。随着时代的进步，各行业对电力供给水平需求的不断提高，风力发电技术也在不断发展，并作为一种清洁能源在电力市场始终占有一席之地。风力发电机从最初的定速恒频技术发展到现如今的变速恒频技术，再通过调整发电机的运行方式，使先进的技术逐步应用到了风力发电机组的工作当中，当下应用较多的风力发电机类型主要有笼型异步发电机、双馈异步发电机、多极同步发电机等[2]。

不同发电机的形态体现了其独有的特点。如：笼型异步发电机更加坚固，使用寿命较其他发电机相对较长、价格经济，简单的构造降低了其维修成本，在实际的应用中广受欢迎，是绝大多数相关应用人员的首选；随着技术的不断推进，双馈异步发电机逐渐占据了市场份额，主要特点是：直接通过功率变流器使电子与电网相连接，相较之前的技术而言减少了不必要的工作程序，提高了发电机组的运行效率，在同等风速运行速度不变的情况下，可捕捉到更多可有效利用的风能，同时可利用电网中电压运行的独特方式控制电网的运行状态，保证其在运行过程中的稳定性。

多极同步发电机是一个相对笼统的概念，同步发电机因其独特的结构形态使其十分符合直驱式风力机的工作模式，因此多极同步发电机的分支结构中，绕线转子同步发电机和永磁同步发电机最具有使用价值，且提高了功率上限，为实操工作中提供了便利，被誉为是新一代发电机组技术。同以往的发电机相比，永磁同步发电机更能提高工作效率，在同样的工作时间内，功率密度及相关工作效益都得到了不同程度的提升。在近年来的发电机应用技术当中，永磁同步发电机更加适配于风力发电机组的运行工作，且在未来的、可预见的一定时期内较其他种类的发电机更具有综合优势。

1.3 其他辅助机构

其他辅助机构在大型风力机组的运行中起到了重要的支撑作用，本文主要阐述以下几种。

1.3.1 齿轮箱

大型风力机组的风轮运行速度的正常值比发电机自身的运转速度要低。风力发电等级具有不同的级别类型，根据不同类型的风力发电机的转速频率设置齿轮箱，以保障风轮的转速保持在一个额定的运行范围内，并能够适应大电机自身的转速，达到二者的相互配合。

1.3.2 机械制动机

有两种作用方式：一是机械制动机通常作用于发电机与齿轮箱之间，利用高速轴将二者连接起来；二是通过低速轴的力量分别作用在风力机与齿轮箱之间。两者不同的作用方式在本质上没有明显区别，但利用高速轴的作用更优于后者，可降低制动转矩。机械制动机的主要作用是辅助完成停机操作，保证风力机在进入停机操作的过程中各部件间的相互配合，对风力机起到一个辅助保护的作用。

偏航控制系统。其主要作用是在迎风面时对风力机起到保持平衡的作用，以有效地捕获风能。偏航控制系统包含了多个部分，主要由电动机驱动系统、偏航齿轮、轮齿轮缘和轴承组成[3]。

风向风速传感器。在发电机的正常工作中，需要通过勘测风速和风向，以确定叶片应具备的运转角度，在这个过程中风向风速传感器就起到了观察勘测的作用。同时，偏航控制系统需要将风力机有效地保持在迎风面上，风力机才可根据实际的风速调节自身发电机的转速，在一系列工作得到有效运营时，风力机才能最大程度上捕获风能，确定风能利用的有效性。因此，在大型风力机的硬件设施中都会装有风速计，通过对风速数据的测量，提供给控制系统实际的参考。在风速、风向相关信息的测量中，需要做好多方面充足的准备，对于传感器、偏航控制系统等起到重要作用的硬件设施，须严格依照要求准确安装在相应的位置上，通过达到测量数据的准确性来保证大型风力发电机在实际工作中的安全性。

2 控制算法理论

本文主要研究控制算法包括自适应反步控制算法和无源控制算法两种。根据两种控制算法的不同模式，设计与应用了适用于两种算法的电机模型并通过仿真案例体现出来。

2.1 自适应反步控制算法

上文中提到，在同等风速下，通过调整风力机的运转速度以及确定合理叶片角度与速度来最大程度地捕获风能，并提高捕获风能的可利用性。在这里主要体现的是电机的主要作用在于对转速和磁链起到一定的控制作用，来达到对整体环境的追踪与控制。

对于大型风力发电机组控制技术的研究，需要对自适应反步法的编程进行研究，目前针对相关技术生产能够达到最成熟、最有利的控制研究的是美国德州仪器生产公司的TMS320C2000DSP平台，C2000系列芯片有大量的外设资源，例如WATCHDOG、CAN总线、数字IO脚等[4]。但在大多数的使用情况中，一般会根据实际情况选择更加适用于电机控制的外设资源。多种型号的生产部件为大型风力发电机提供了可选择的多种设置模式，可在不断地比较中选取最适合操作的、安全及运行性能最好的外设装置。但随着清洁能源需求量的与日俱增，各种算法编程的技术也愈发先进，操作也更加便捷，便于装置的开发与应用。自适应反步算法的步骤：初始化-读取被测量-控制输出计算-参数自适应计算-输出。

由此，各项参数的计算与应用就具备了基本的应用程序。在自适应反步控制算法中，为控制计算中的估量与变数提供了实际可靠的参数，并提高自适应估算中参数变化的真实性。

2.2 无源控制算法

在无源控制算法中需考虑风速与额定风速的关系。一旦实际风速高于额定风速时，就会导致风力机捕获的风能过大，不能为自身所转化应用，就会加大风力机运行工作中的压力，因此就需对风力机在风能捕获中的功率。具体可参照以下做法：观测叶片的运行规律，对叶片与叶片之间的距离进行调节与测试，从而达到通过叶片改变空气动力学的作用力与特性。据实验可得：无源控制算法在实际的操作过程中具有更加突出的作用，在反应速度、控制输出等方面都具有较高的效果。

通过以上的论述研究可发现，无论自适应反步控制算法还是无源控制算法，都是相对于侧重控制算法的研究。但在自适应反步控制算法中，反步法的控制设计比较复杂，需要考虑多方面因素，如多变量系统、高阶子系统等。因此造成了其控制率复杂、计算量大等特点。而在无源控制系统中，无源控制理论在实际的应用过程中更加具有实效意义，提供给运行工作中更加直观清晰的工作设计思路。

3 风能利用效果

据有效实验证明，在风速较低时能够最大的捕获风能。在仿真环境中，当低风速经过时对同时段的风力发电机组的控制器进行精准的比较研究，结果显示，添加控制器前后在有效风能利用率上具有一定的差异。在安装控制器后对于风能的节约与利用都有提升，因而安装控制器对提升大型风力发电机组的工作效率具有积极作用，应用于成百上千的大型风力发电机组当中，是切实可行的方案，且数据可观。

在安装控制器后并没有对原始的结构作出明显的改动，虽然增加了控制作用，增加了风力发电机组的风能捕获量，但这种控制方式同时也增加了判断方式的繁琐性，由于对物理参数的过分依赖，使得在长期的运转过程中容易出现程序计算错误，导致偏差值出现的情况发生。在实际的工作中，对控制器进行定期的检查与调整，以保证风力发电机组工作的正常运行。

其中有一部分仿真环节证明，在风速较低的时段内调整了单台风力发电机的功率控制器。在常见的间接转速功率与变桨变矩调整策略中，发动机的运行状态基本保持不变[5]。其原因如下：以上两种调整策略采用了相同编排方式，都需依附于中央控制的控制作用，通过中央控制器下达指令，依据相关功率值作为参考来得到计算结果。在众多调整策略当中，变桨变矩联合调整策略对发电机转速的影响较大，会使原有发电机的转速产生波动，但依旧可保持一个相对安全的整体趋势，在实际的应用过程中并无危险。因此，在可变速的风力发电机中，处于低风速时段内的运转不会出现超过限定速度的情况发生，所产生的转速波动也不会为发电机造成过大的运行压力。

由此可得，为风力发电机提供了相应的控制环节之后，不仅能够提升风能捕获量，增加已捕获峰能力的利用效率，且对于大规模的大型风力发电机组来说可带来较为可观的能量提升。与此同时，周围风速波动影响较大的情况发生时，可提供给风力发电机组比较可靠的运转工作思路，有助于对风力发电机组的优化与提升，并为在能够节约资源的前提下捕获相对充足的风能提供了理论思路，具有一定的参考价值。