風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率模型補(bǔ)償控制

風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率模型補(bǔ)償控制

摘要：近年來(lái)，隨著我國(guó)能源機(jī)構(gòu)改革的不斷深化，新能源在電力系統(tǒng)中的占比正在不斷提升，其中較為重要的部分則是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。為實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常以電力電子裝置并入電網(wǎng)當(dāng)中，但由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受環(huán)境影響較大，出力不穩(wěn)定，且很難進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，其發(fā)展受到了一定程度的限制，如何通過(guò)優(yōu)化控制策略解決上述問(wèn)題，仍需要進(jìn)一步分析研究。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；優(yōu)化控制；控制方法引言直接驅(qū)動(dòng)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)參數(shù)攝動(dòng)使其成為一個(gè)非線性、多變量、強(qiáng)干擾的復(fù)雜系統(tǒng)，給整個(gè)系統(tǒng)的控制帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，越來(lái)越多的先進(jìn)控制算法被應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中。基于魯棒控制的變槳距控制系統(tǒng)，并通過(guò)仿真和對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證了魯棒控制器的有效性。針對(duì)建模誤差、多變量系統(tǒng)控制耦合和外部激勵(lì)等因素的影響，提出了一種線性自抗擾控制策略不依賴(lài)于控件對(duì)象。將自抗擾控制策略與史密斯預(yù)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，提出了輸出預(yù)測(cè)自抗擾控制的復(fù)合策略，解決了時(shí)滯的影響。綜上，大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組滑膜控制研究側(cè)重于發(fā)電效率的提高，但是常忽略了風(fēng)電機(jī)組最大功率跟蹤過(guò)程中由控制策略變化而導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題，易在控制過(guò)程中增加系統(tǒng)疲勞載荷，降低風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行壽命。1新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)（1）無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)。無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)沒(méi)有集電環(huán)裝置，去除了電刷，這一優(yōu)化措施讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行具備更高的可靠性，解決了標(biāo)準(zhǔn)型雙饋電機(jī)存在的問(wèn)題。同時(shí)，無(wú)刷雙饋異步發(fā)電機(jī)具備傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（繞線型異步發(fā)電機(jī)、籠型異步發(fā)電機(jī)、電勵(lì)磁同步電機(jī)）的優(yōu)勢(shì)，能夠跟蹤最大風(fēng)功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的高效利用。（2）開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)。開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)具有較高的能量密度、非常強(qiáng)的過(guò)載能力、較好的動(dòng)靜態(tài)性能，且設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具備較高的可靠性。（3）永磁同步發(fā)電機(jī)。永磁同步發(fā)電機(jī)僅安裝了永磁體勵(lì)磁，無(wú)須其他的勵(lì)磁，大大減少了勵(lì)磁損耗。同時(shí)，該新型發(fā)電機(jī)無(wú)須換向裝置，這顯著提高了設(shè)備的運(yùn)行效率，延長(zhǎng)了設(shè)備使用年限。（4）永磁無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)。永磁無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)中的樞繞組主要采用直流單波繞組，用二極管取代了電刷裝置，與直流單波繞組共同構(gòu)成了一個(gè)整體，可以借助內(nèi)置式切向永磁體轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，通過(guò)電子電路換組控制整個(gè)設(shè)備。（5）全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)。全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由永磁體組成，無(wú)須控制系統(tǒng)，但其在運(yùn)行時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)輸出特性偏軟的不足。針對(duì)這一不足，可采用磁力轉(zhuǎn)動(dòng)技術(shù)與磁懸浮技術(shù)處理。2風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率模型補(bǔ)償控制2.1調(diào)頻系統(tǒng)概述調(diào)頻系統(tǒng)由參數(shù)優(yōu)化模塊、頻率控制器、槳葉距角控制單元、風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)和減載控制等多個(gè)部分所組成，以實(shí)現(xiàn)變頻控制作用。具體來(lái)看，如發(fā)電機(jī)組工作頻率變化值較大，則調(diào)頻功能自動(dòng)開(kāi)啟，并接收來(lái)自風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)的增發(fā)功率指令，獲取實(shí)際的增發(fā)功率。同時(shí)，為確保在一次調(diào)頻后即能實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化控制，參數(shù)優(yōu)化模塊內(nèi)置了智能算法，其會(huì)以機(jī)械功率為變量，實(shí)時(shí)計(jì)算槳葉距角和轉(zhuǎn)速的最優(yōu)值，并將這兩個(gè)結(jié)果輸入到槳葉距角控制單元當(dāng)中。風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速也會(huì)同時(shí)輸入到頻率控制模塊中，其目的是調(diào)節(jié)輸出功率的增發(fā)值。當(dāng)風(fēng)速已經(jīng)超出區(qū)間III的臨界值時(shí)，無(wú)備用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到上限，此時(shí)必須通過(guò)控制槳葉距角來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，以降低風(fēng)能的輸送量。在調(diào)頻功能介入的初始階段，風(fēng)電機(jī)組的輸出功率相對(duì)較高，其目的是降低頻率的變化率，以及避免頻率的偏差值過(guò)大。同時(shí)，通過(guò)控制單元對(duì)槳距角和轉(zhuǎn)速的控制，發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率也逐漸增大，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤控制，進(jìn)而確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在新的工況下保持穩(wěn)定。在這一過(guò)程中，除了發(fā)電機(jī)組輸出功率外，其他參數(shù)并無(wú)明顯變化。2.2模糊控制技術(shù)模糊控制技術(shù)主要是借助智能技術(shù)來(lái)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其最顯著的特征在于將專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)表達(dá)當(dāng)作控制的語(yǔ)言規(guī)范，而無(wú)須借助控制目標(biāo)的精確數(shù)學(xué)模型，可以規(guī)避非線性因素的影響，被調(diào)整對(duì)象的參數(shù)具備很強(qiáng)的魯棒性。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制過(guò)程中，利用模糊控制技術(shù)能夠有效控制其轉(zhuǎn)速、最大功耗、魯棒性、最大風(fēng)能采集等。例如，對(duì)于籠式異步發(fā)電機(jī)，通過(guò)應(yīng)用模糊控制技術(shù)，合理設(shè)置模糊控制參數(shù)，能夠提高跟蹤裝置的性能，更加高效地控制發(fā)電機(jī)的功率，并可以通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算光負(fù)載流量，進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)電機(jī)逆變器的效率；對(duì)于變速恒頻無(wú)刷雙風(fēng)力發(fā)電機(jī)，通過(guò)利用自適應(yīng)模糊控制模式，能夠提升系統(tǒng)的抗干擾能力與魯棒性，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕捉，切實(shí)保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。2.3頻率控制器參數(shù)的優(yōu)化遺傳算法屬于并行搜索算法的一種，其算法流程與自然界的種群遺傳規(guī)律較為相似。在遺傳算法中，個(gè)體被稱(chēng)之為“染色體”，在迭代計(jì)算過(guò)程中的數(shù)據(jù)更新變化則稱(chēng)之為“遺傳操作”，通過(guò)不斷迭代計(jì)算，整體的系統(tǒng)將收斂到一組固定值，這組固定值稱(chēng)之為“最佳染色體”，也即對(duì)應(yīng)頻率控制器參數(shù)的優(yōu)化值。此時(shí)遺傳算法結(jié)束，使用該算法獲得的數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化即可。在應(yīng)用遺傳算法的過(guò)程中，其基本流程如下：①根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)和未知量構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，將已知數(shù)據(jù)和未知量作為遺傳算法的“染色體”，并考慮限定條件，將多個(gè)“染色體”統(tǒng)一構(gòu)建為“初代種群”；②將“染色體”輸入到系統(tǒng)頻率響應(yīng)綜合模型中，以獲得頻率響應(yīng)曲線，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)度；③留下滿(mǎn)足約束條件的染色體，按照適應(yīng)度的大小對(duì)其進(jìn)行反復(fù)迭代計(jì)算，直至迭代計(jì)算結(jié)果收斂為止；④判斷新的種群是否為末代種群，如不是則繼續(xù)重復(fù)步驟③，直至新的種群屬于末代種群后，輸出相應(yīng)數(shù)值，以達(dá)到優(yōu)化參數(shù)的目的。2.4垂直風(fēng)機(jī)所謂垂直風(fēng)機(jī)，是指風(fēng)機(jī)主軸是垂直于地面的。根據(jù)做功方式的差異，垂直風(fēng)機(jī)又分為兩種形式:第一種形式的垂直風(fēng)機(jī)，稱(chēng)為S型風(fēng)機(jī);第二種形式的垂直風(fēng)機(jī)，稱(chēng)為D型風(fēng)機(jī)。S型風(fēng)機(jī)，其風(fēng)機(jī)葉片的形狀為半圓柱形，葉片數(shù)量為兩片，兩個(gè)葉片交叉在一起。在有些情況下，葉片數(shù)量也會(huì)增加到三片或者四片。S型風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是，初始轉(zhuǎn)矩的數(shù)值較大，有利于高風(fēng)速場(chǎng)合下的做功;但葉片的非對(duì)稱(chēng)性導(dǎo)致非對(duì)稱(chēng)氣流的出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)系統(tǒng)發(fā)生偏振，進(jìn)而降低了對(duì)風(fēng)能的有效利用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)算，S型風(fēng)機(jī)對(duì)于風(fēng)能的利用率僅為7070。再加上一些其它的能量損耗，這個(gè)比例可能還要更低。這一低效的風(fēng)能利用結(jié)果，使得S型風(fēng)機(jī)沒(méi)有成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主流風(fēng)機(jī)。結(jié)語(yǔ)總而言之，為確保實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化控制，采用頻率控制方法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制是一個(gè)較為可行的途徑。對(duì)于頻率控制而言，其關(guān)鍵在于減小頻率變化和頻率的偏差，并利用風(fēng)電機(jī)組的快速功率調(diào)節(jié)能力加以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組頻率的有效調(diào)節(jié)，有助于提升高比例新能源電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，并為今后的電網(wǎng)升級(jí)改造提供理論支持。Reference[1]張祥宇,朱正振,付媛.風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的虛擬同步穩(wěn)定分析與慣量?jī)?yōu)化控制[J].高電壓技術(shù),2020,46(8):2922-2932.[2]陳忠雷.含分布式風(fēng)力發(fā)電的微電網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化控制[D].華北電力大學(xué)(北京),20