新能源風力發電系統中自適應控制技術的應用及未來前景探討

魯 民，李冰皓

（1.國電電力廣東新能源開發有限公司，廣東 珠海 519000；2.邢臺職業技術學院，河北 邢臺 054035）

1 引 言

我國已經是一個集工業和制造業于一體的大國，其能源消耗量遠大于其他國家。在全球氣候變暖的大背景下，能源成為限制我國經濟發展的瓶頸之一，如何利用新能源技術補充和逐步代替化石能源變得十分重要。大型城市群體的快速建設，使得電力供應缺口逐年擴大。針對能源短缺現狀，人們對新能源風力發電空前關注，經過近20 年快速發展，我國風力發電已經具備相當規模，其發電成本和超低污染也可以向常規能源發起挑戰。相信在不遠的將來，新能源風力發電在發電市場中將占據舉足輕重的位置，成為經濟發展的強力助推器。然而，盡管國家在風力發電場投入大量資金，但由于風場地廣人稀、來流風速隨機等原因，有諸多問題仍然存在于風力發電控制系統中[1]。本文在風電控制系統中引入自適應控制的方案，定能取得明顯的控制效果。

2 風力發電機組工作流程

風力發電場一般是由許多大型風力發電機組構成，就目前設施配置情況而言，常見的風力發電機組由風力機、傳動、制動、變槳距系統、發電機以及電子控制系統組成。風力發電機組的工作原理，將捕獲的風能轉換為機械能，之后轉換為電能進行有效輸出。首先是風機葉片需通過大于3m/s 風帶動，發電機內部線圈做切割磁感線運動，進而可產生感應電流，儲能裝置用電能的形式進行儲存。此外，儲能電池平穩負荷波動，對風力機組并網環節的穩定運行，也尤為重要。

風場發電系統的核心設備是風力機，風輪又是水平軸風力機的最核心部件，風輪葉片頂端線速與風速之比為葉尖速比，是衡量風機功率系數的重要參數。風力機中的回轉體，在風向發生變化時，確保機頭能水平旋轉，使風輪迎風轉動。風輪轉速常常較慢，通過傳動系統提高轉數，進而與發電機所需高轉速實現匹配。制動系統可實現風機組運行到停機的切換，是風力發電機組不受控情況下最后一道安全屏障，分運動制動和突發制動兩種制動方式。目前，變槳距系統已經在風力機組中廣泛應用，它主要是通過調節風輪葉片和氣流之間的攻角，在風速較小時實現對風能捕獲，風速超過額定時，增大攻角控制風輪轉速。與之對應的定槳距系統在機組起動、制動、風能利用系數方面，效率遠不及變槳距系統。風力發電機類型較多，可大致分為分為直流型和交流型。

3 自適應控制技術的應用

風力發電機組設備種類繁多，是一個綜合復雜系統，一旦子系統出現問題，極有可能對全部系統正常工作產生影響。綜合控制系統能夠依據風速大小自動進入啟動模式或電網切出；電網發生突發故障時，可及時確保機組安全停機；機組正常運行時間節點內，確保負荷、風況、工況運行全監控和記錄，可自行判斷異常情況并啟動保護；對于風力機分散分布的實際特點，還應具備遠程DCS 通信功能，實時異地操作。綜合控制系統要監控風況、風向、機組運行效率、負載隨機性、發電量、并網條件等諸多指標，才能組成一個完備的方案[2]。

風力發電控制系統易受到風能的影響，風能參數伴隨諸多不確定性，兼具時變、隨機等特性，建立完善有效的動態數據模型極為困難。為使系統保持在最優狀態，實現對風能的有效捕捉，減少不確定因素的影響，筆者提出在綜合控制系統中的兩個環節引入自適應控制方案，視外界因素變化進而動態調整，優勢凸顯，發電效率提升。

3.1 在風力渦輪輸出功率P 和發電機轉速ω，當前風速V 之間建立自適應機制

建立在風力渦輪的輸出功率P 和發電機轉速ω 之間的關系，隨來流風速的變化而變化。風速V處于某一恒定值時，系統中的發電機的轉速ω，必存在某個特定ωt，讓渦輪輸出功率P 處于最大值Pmax。因實際發電過程中，風速保持恒定是理想狀態，風速一般實時發生動態波動變化，故渦輪輸出功率最大值Pmax隨風速的變化動態漂移[3]。風速變化后，如果使Pmax保持不變，發電機轉速ω 要做調整處理。因三者間建立的非線性關系，傳統的PID 控制、模糊控制調整過程復雜，不能實現最優控制。

在系統中加裝自適應控制器，在風力干擾因素改變的同時，自適應控制單元對被控裝置的內部不確定參數動態、持續預估。同時，線性化模塊利用之前反饋估算參數對被控設施的非線性進行有效消除。通過的自適應機制調整參數，進而實現輸出功率最大值Pmax，優化整個系統，實現發電效率的最大化。

3.2 在發電機的輸出功率P 和變槳距系統的攻角θ 之間建立自適應機制

變槳距系統通過實時改變葉片和氣流之間的攻角，將風力機的風能轉換效率提高，實現對發電機組功率輸出的控制，在亟需機組停機時還可以提供空氣動力制動。本文所構建的自適應調節機制，輸入量采用發電機的輸出功率或輸出功率的變化量，輸出量采用槳距角變化量，加裝模糊自適應PID控制器，其控制結構如圖1 所示。

圖1 風力發電模糊自適應PID 控制結構圖

與傳統的火力、水利發電相比，風力發電過程中，極易受到風能影響，運行環節存在不確定性較多。在本環節中，單純加入PID 控制器工作穩定性強，結構簡單，但考慮到風力發電系統中突出存在的設定值和抑制擾動值，實時動態和靜態固化，系統魯棒性和控制穩定性之間的矛盾，其不能很好解決問題。另外，單獨模糊控制具適應性強和過程平滑過渡的優點，但對于靜態誤差克服能力較弱。

基于以上二者優缺點，將兩者進行有效結合，選用模糊自適應PID 控制器方案。該方法的原理是提前將系統性能指標、初始值、耦合度等先驗知識備份到計算機知識庫中，然后對系統相應進行分析，匹配之前建立的模糊推理規則，將PID 參數自動調整至最佳[4]。

模糊自適應PID 控制器的工作流程： 構建PID三項控制參數 (kp、ki、kd) 和偏差e 與偏差變化率ec之間的模糊隸屬關系，在風力發電過程中，對e 和ec 動態實時監測，運用模糊推理，在線調整 kp、ki、kd三項參數，使之與系統要求最佳匹配，實現PID 參數自整定，整體滿足“穩、準、快”。風力發電系統在加入該控制器后，發電機的輸出功率P 比之前同等情況下有顯著提高。

4 未來前景

風力發電是一種采用清潔、可再生能源的新型發電方式。我國每年在能源消費方面居世界前列，清潔能源的高效利用在節能減排、低碳環保方面都有十分重要的意義。但風力發電場大多建立在地廣人稀的區域，在風況監視、機組參數、優化控制方面的問題較為復雜。風力發電是大范圍、強風速擾動的非線性系統，正確把握平衡點位置，使整個控制系統視來流風速的變化而變化尤為重要。

風電系統中加入自適應控制策略，是運用智能化技術的一種類型，可以大大降低輸出功率隨機性，控制間歇性和波動性，抑制擾動。在控制系統中，加入智能化方案，是推進發電能源清潔化、多重化的可靠保證，也是增強系統自愈和高效應急的智能電網的核心力量[5]。因此，風力發電中自適應控制技術必將被廣泛應用于各個環節，為打造我國“智能電網”提供有力支撐。

5 結 語

基于風力發電系統的實際情況，分析影響輸出功率的諸多因素。對于風電系統建立數學模型，考慮到多變量、隨機性、強耦合，提出在系統中的兩個環節加入自適應控制技術。

第一項是實現動態實時檢測，在線干預，消除非線性，提升效率；第二項的整體目標是使該系統對過程參數的變化，以及對難以建立模型環節的動態過程感知度降低，實現“穩、準、快”的目標。我國未來電力能源中，風力發電的地位會呈現逐年提高趨勢。引入智能化控制技術，保障風力發電場運行高效穩定，是打造風電引領的重要途徑。