风力发电技术的发展综述

李星耀

宁夏回族自治区电力设计院

风力发电技术的发展综述

李星耀

宁夏回族自治区电力设计院

可再生能源发电技术，不仅是世界电力行业的主要发展和研究对象，同时也是实现电力行业可持续发展的主要途径。在实际应用中需要针对不同的风力发电机的运行特性，选择合适的控制方法对风机的运行状态进行控制，达到最优的控制效果。此文阐述了风力发电技术的发展现状及关键问题。

风力发电系统技术；可再生能源；发展

1 风力发电机控制系统介绍

控制系统的好坏直接关系到风力发电机的工作状态、发电量的多少以及设备的安全。目前风力发电亟待研究解决两个问题：发电效率和发电质量，而这两个问题都和风电控制系统密切相关。对此国内外学者进行了大量的研究，取得了一定进展，现代控制技术和电力电子技术的发展，为风电控制系统的研究提供了技术基础。

控制系统的组成：

风力发电控制系统的基本目标分为三个层次：保证风力发电机组安全可靠运行，获取最大能量，提供良好的电力质量。控制系统组成主要包括各种传感器、变距系统、运行主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、自动最大功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、自动解缆、并网和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控。当然对于不同类型的风力发电机控制单元会不相同。系统结构示意图如图1所示。

针对系统结构，目前绝大多数风力发电机组的控制系统都采用集散型或称分布式控制系统(DCS)工业控制计算机。采用分布式控制最大优点是许多控制功能模块可以直接布置在控制对象附近，就地进行采集、控制、处理，避免了各类传感器、信号线与主控制器之间的连接。同时DCS现场适应性强，便于控制程序现场调试及在机组运行时可随时修改控制参数，并与其他功能模块保持通信，发出各种控制指令。目前计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，目前功能上有较大提高，很多厂家也开始采用PLC构成控制系统。现场总线技术(FCS)在进入20世纪90年代中期以后发展也十分迅猛，以至于有些人已做出预测：基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。

2 风力发电控制技术的发展

2.1 风力发电传统控制方法

应用传统控制方法对风力发电机的变桨系统、偏航系统进行控制，由于风力发电机系统，是大型的复杂的、变结构的系统，传统控制方法不能满足对风力发电机内部持续变化的电流环、电压环、磁链的控制，从而引入智能控制方法。

图1 系统结构示意图

传统PID控制结构简单、工作性能可靠，对于风力发电这种不能得到精确数学模型的系统较为合适，还可有PI和PD控制器，利用比例、微分、积分计算控制量进行控制，可用于对风力发电机变桨系统进行控制。

2.2 智能控制方法

2.2.1 模糊控制算法控制。由于模糊控制算法的鲁棒性强，可以使用模糊控制算法。模糊控制在不需要知道被控对象的模型下进行控制，可以对变桨系统的控制器进行改进，该方法有较好的的抗扰性、动态性能、收敛速度和静态误差。

2.2.2 模糊控制算法与PID算法相结合。为了使系统的性能更加稳定，可将模糊控制算法和PID算法相结合。一般在系统最坏的工作点设计PID控制器，能够有效改善风力发电机变桨距控制效果。能够较好地将转速稳定在额定值附近。为了达到更好的控制效果，以PID变桨距控制器的缺点分析为基础，创造性的提出模糊PID与模糊前馈结合而产生的新型变桨距控制方法。保证模糊PID控制器在不同风速下都能保持较好的控制结果，而模糊前馈控制器在额定风速以上的不同风速段，根据风速给出的不同前馈桨距角和风电机组的桨叶气动特性，来提高控制系统响应速度，实现动态前馈补偿。针对变桨距系统还可采用模糊PID－PID双模控制，根据提前设置好的偏差阈值来选择控制器。

2.2.3 神经网络控制。人工神经网络具有可任意逼近任何线性模型的非线性映射能力，可以根据所掌握的风速数据找出规律预测风速的变化，风力发电系统可进行在线学习，实现对风能的最大捕捉，并减小风力发电机的负载力矩。这项学习方法还有模式识别和支持向量机等。

2.2.4 风力发电自适应控制。在自适应控制的应用方面，对采用传统模糊控制技术的风力发电机控制在转速和电流控制方面的不足，提出风力发电自适应控制方法进行控制。增加自适应环节后，可以实现动静态转速控制和减小输出电流脉动，进而增加了风力发电机的使用寿命。自适应控制通过李雅普诺夫稳定性分析给出控制规律，可以实现变桨系统的自适应控制，该方法的跟踪性和伺服性很好。

3 风电技术应解决的问题

3.1 不断加大风电技术的研究

针对于风能密度的地区范围，可以采用功率调节的方式，从而更好地保证发电功率，使发电机组不受到损害；在调节的过程中，可以借助定桨距失速型风机，使其功率得到有效控制；针对于风力发电消纳存在问题的地区，可以采用一定的储能技术，不仅实现了在不同环境下的电能利用，同时也适当地增加了机组的容量，对此加强此方面的研究，提出更合理的储能方案是非常有必要的。

3.2 完善和落实相关能源政策

可再生资源与不可再生资源，对于我们国家乃至全世界来说，都是非常宝贵的资源，是推动国家发展的重要物质支持。对此，可再生能源相关保护政策的完善和实施是非常重要的，同时也只有能源政策的落实，才能加强对于能源开发和利用的保障。

[1]杭俊，张建忠，程明，王伟，张明.风力发电系统状态监测和故障诊断技术综述(英文)[J].电工技术学报，2013，04：261-271.

[3]李华伟.风力发电系统的混杂控制技术研究[D].郑州大学，2014.