風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的魯棒控制研究

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的魯棒控制研究

1風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的研究與探索在能源和環(huán)境惡化的情況下，風(fēng)速作為可再生清潔能源的一部分，越來越受到重視和開發(fā)。由于風(fēng)能開發(fā)有著巨大的經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)保價(jià)值和發(fā)展前景,近20年來風(fēng)電技術(shù)有了巨大的進(jìn)步,風(fēng)電開發(fā)在各種能源開發(fā)中增速最快。德國、西班牙、丹麥、美國等歐美國家在風(fēng)力發(fā)電理論與技術(shù)研發(fā)方面起步較早,因而目前處于世界領(lǐng)先地位。與風(fēng)電發(fā)達(dá)國家相比,中國在風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造技術(shù)和風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)方面存在較大差距,目前國內(nèi)只掌握了定槳距風(fēng)機(jī)的制造技術(shù)和剛剛投入應(yīng)用的兆瓦級永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)技術(shù),在風(fēng)機(jī)的大型化、變槳距控制、主動(dòng)失速控制、變速恒頻等先進(jìn)風(fēng)電技術(shù)方面還有待進(jìn)一步研究和應(yīng)用。發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的重要裝置,它不僅直接影響輸出電能的質(zhì)量和效率,也影響整個(gè)風(fēng)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能和裝置結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。風(fēng)能是低密度能源,具有不穩(wěn)定和隨機(jī)性特點(diǎn),控制技術(shù)是風(fēng)力機(jī)安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵,因此研制適合于風(fēng)電轉(zhuǎn)換、運(yùn)行可靠、效率高、控制且供電性能良好的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和先進(jìn)的控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。本文分析比較了各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn),介紹了相關(guān)風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù),闡述了具有魯棒性的非線性智能控制方法在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用,最后對未來風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)作了展望。2風(fēng)機(jī)2.1傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)的勇敢機(jī)2.1.1東南角正槳恒速發(fā)電機(jī)籠型異步發(fā)電機(jī)是傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)廣泛采用的發(fā)電機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中的功率變換器是指軟并網(wǎng)用的雙向晶閘管起動(dòng)裝置,箭頭指功率P的流動(dòng)方向。其工作原理是利用電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償,在高于同步轉(zhuǎn)速附近作恒速運(yùn)行,采用定槳距失速或主動(dòng)失速槳葉,單速或雙速發(fā)電機(jī)運(yùn)行。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子整體強(qiáng)度、剛度都比較高,不怕飛逸,比較適合風(fēng)力發(fā)電這種特殊場合,所以籠型異步發(fā)電機(jī)發(fā)展很快,其技術(shù)日趨成熟,在世界各大風(fēng)電場與風(fēng)力機(jī)配套的發(fā)電機(jī)中,絕大多數(shù)是采用籠型異步發(fā)電機(jī),但不能有效地利用風(fēng)能,效率低。2.1.2轉(zhuǎn)子回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)繞線式異步發(fā)電機(jī)由電機(jī)轉(zhuǎn)子外接可變電阻組成,其工作原理是通過電力電子裝置調(diào)整轉(zhuǎn)子回路的電阻,從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率,發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率可增大至10%,能實(shí)現(xiàn)有限變速運(yùn)行,提高輸出功率,同時(shí)采用變槳距調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)子電流控制,可以提高動(dòng)態(tài)性能,維持輸出功率穩(wěn)定,減小陣風(fēng)對電網(wǎng)的擾動(dòng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。2.1.3風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為了降低異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行中功率變換器的功率,雙饋異步發(fā)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,通過控制轉(zhuǎn)差頻率可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的雙饋調(diào)速。但是此種電機(jī)是有刷結(jié)構(gòu),運(yùn)行可靠性差,需要經(jīng)常維護(hù),并且此種結(jié)構(gòu)不適合于運(yùn)行在環(huán)境比較惡劣的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。變換器與發(fā)電機(jī)定子相連,電壓源型逆變器的直流側(cè)提供電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的激勵(lì)電流。通過控制功率變換器的電壓來改變發(fā)電機(jī)定子繞組的電流,從而控制發(fā)電機(jī)的輸出力矩。通過控制功率變換器的超前、滯后電流來控制整個(gè)機(jī)組的無功功率及有功功率輸出。此種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有噪聲低、電網(wǎng)電壓閃變小及功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。2.2新能源發(fā)電2.2.1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)識別開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高、過載能力強(qiáng)、動(dòng)靜態(tài)性能好、可靠性和效率高的特點(diǎn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí),勵(lì)磁電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場使轉(zhuǎn)子動(dòng)作,改變相繞組通電順序,電機(jī)可處于連續(xù)運(yùn)動(dòng)的工作狀態(tài);作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí),電機(jī)的各個(gè)物理量隨著轉(zhuǎn)子位置的變化作周期性變化,當(dāng)電機(jī)相電感隨轉(zhuǎn)子位置變化減小時(shí),給相繞組通以勵(lì)磁電流,則在定子側(cè)發(fā)生電磁感應(yīng),將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中時(shí),起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、低速性能好,常被用于小型(<30kW)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。2.2.2新型風(fēng)力機(jī)電機(jī)其基本原理與有刷雙饋異步發(fā)電機(jī)相同,主要區(qū)別是取消了電刷,此種電機(jī)彌補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)型雙饋電機(jī)的不足,兼有籠型、繞線型異步電機(jī)和電勵(lì)磁同步電機(jī)的共同優(yōu)點(diǎn),功率因數(shù)和運(yùn)行速度可以調(diào)節(jié),因此適合于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),其缺點(diǎn)是增加了電機(jī)的體積和成本。2.2.3電刷裝置結(jié)構(gòu)永磁無刷直流發(fā)電機(jī)電樞繞組是直流單波繞組,采用二極管來取代電刷裝置,兩者連為一體,采用切向永磁體轉(zhuǎn)子勵(lì)磁,外電樞結(jié)構(gòu)。此種電機(jī)不但具有直流發(fā)電機(jī)電壓波形平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn),也具有永磁同步發(fā)電機(jī)壽命長,效率高的優(yōu)點(diǎn),適合在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用。2.2.4風(fēng)能驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)永磁同步發(fā)電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁,無需外加勵(lì)磁裝置,減少了勵(lì)磁損耗;同時(shí)它無需換向裝置,因此具有效率高,壽命長等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子被風(fēng)能驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí),定子與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng),在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流。與等功率一般發(fā)電機(jī)相比,永磁同步發(fā)電機(jī)在尺寸及重量上僅是它們的1/3或1/5。由于此種發(fā)電機(jī)極對數(shù)較多,且操作上同時(shí)具有同步電機(jī)和永磁電機(jī)的特點(diǎn),因此適合于采用發(fā)電機(jī)與風(fēng)輪直接相連、無傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的并網(wǎng)形式。2.2.5磁力傳動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)全永磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)上完全由永磁體構(gòu)成、不帶任何控制系統(tǒng),其最大特點(diǎn)是“輕風(fēng)起動(dòng),微風(fēng)發(fā)電”,起動(dòng)風(fēng)速為1.5m/s,大大低于傳統(tǒng)的3.5m/s。通過采用磁力傳動(dòng)技術(shù)和磁懸浮技術(shù),可克服永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出特性偏軟的缺點(diǎn)。系統(tǒng)由原動(dòng)力傳送裝置、磁力傳動(dòng)調(diào)速裝置、磁輪、永磁發(fā)電機(jī)等幾部分組成。其低風(fēng)速啟動(dòng)技術(shù),對開發(fā)國內(nèi)廣大地區(qū)的低風(fēng)速資源,增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年發(fā)電時(shí)間有積極意義。3自動(dòng)控制原則由于自然風(fēng)速的大小和方向的隨機(jī)變化,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組切入電網(wǎng)和切出電網(wǎng)、輸入功率的限制、風(fēng)輪的主動(dòng)對風(fēng)以及對運(yùn)動(dòng)過程中故障的檢測和保護(hù)必須能夠自動(dòng)控制。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)從定槳距恒速運(yùn)行至基于變槳距技術(shù)的變速運(yùn)行,已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從能夠向電網(wǎng)提供電力到理想地向電網(wǎng)提供電力的最終目標(biāo)。3.1槳葉節(jié)距與轉(zhuǎn)速關(guān)系定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組于20世紀(jì)80年代中期開始進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電市場,主要解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)問題、運(yùn)行安全性與可靠性問題。采用了軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動(dòng)力剎車技術(shù)、偏行與自動(dòng)解纜技術(shù)。槳葉節(jié)距角在安裝時(shí)已經(jīng)固定,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)頻率限制,輸出功率由槳葉本身性能限制。當(dāng)風(fēng)速高于額定轉(zhuǎn)速時(shí),槳葉能夠通過失速調(diào)節(jié)方式自動(dòng)地將功率限制在額定值附近,其主要依賴于葉片獨(dú)特的翼型結(jié)構(gòu),在大風(fēng)時(shí),流過葉片背風(fēng)面的氣流產(chǎn)生紊流,降低葉片氣動(dòng)效率,影響能量捕獲,產(chǎn)生失速。由于失速是一個(gè)非常復(fù)雜的氣動(dòng)過程,對于不穩(wěn)定的風(fēng)況,很難精確計(jì)算出失速效果,所以很少用在MW級以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制上。3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理從空氣動(dòng)力學(xué)角度考慮,當(dāng)風(fēng)速過高時(shí),可以通過調(diào)整槳葉節(jié)距、改變氣流對葉片攻角,從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩,使輸出功率保持穩(wěn)定。采用變槳距調(diào)節(jié)方式,風(fēng)機(jī)輸出功率曲線平滑,在陣風(fēng)時(shí),塔筒、葉片、基礎(chǔ)受到的沖擊較失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)要小很多,可減少材料使用率,降低整機(jī)重量。其缺點(diǎn)是需要一套復(fù)雜的變槳距機(jī)構(gòu),要求其對陣風(fēng)的響應(yīng)速度足夠快,減小由于風(fēng)的波動(dòng)引起的功率脈動(dòng)。3.3風(fēng)機(jī)變槳距控制這種技術(shù)是前兩種技術(shù)的組合。低風(fēng)速時(shí)采用變槳距調(diào)節(jié)可達(dá)到更高的氣動(dòng)效率,當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率后,風(fēng)機(jī)按照變槳距調(diào)節(jié)時(shí)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)槳距相反方向改變槳距。這種調(diào)節(jié)將引起葉片攻角的變化,從而導(dǎo)致更深層次的失速,使功率輸出更加平滑,其綜合了前兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。3.4系數(shù)最大的運(yùn)行方式變速運(yùn)行是風(fēng)機(jī)葉輪跟隨風(fēng)速變化改變其旋轉(zhuǎn)速度,保持基本恒定的最佳葉尖速比,風(fēng)能利用系數(shù)最大的運(yùn)行方式。與恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比,變速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)具有低風(fēng)速時(shí)能夠根據(jù)風(fēng)速變化在運(yùn)行中保持最佳葉尖速比獲得最大風(fēng)能、高風(fēng)速時(shí)利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化儲存的部分能量以提高傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性和使輸出功率更加平穩(wěn)、進(jìn)行動(dòng)態(tài)功率和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)補(bǔ)償?shù)葍?yōu)越性。4過程智能控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略根據(jù)控制器的不同可分為兩大類:以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)控制方法和模擬人類智能活動(dòng)及其控制與信息傳遞過程的智能控制。由于空氣動(dòng)力學(xué)的不確定性和電力電子模型的復(fù)雜性,使風(fēng)電機(jī)組成為一個(gè)復(fù)雜多變量非線性系統(tǒng),具有不確定性和多干擾等特點(diǎn),致使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)很難用數(shù)學(xué)模型來描述,所以傳統(tǒng)控制方法在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中不適用。由于智能控制可充分利用其非線性、變結(jié)構(gòu)、自尋優(yōu)等各種功能來克服系統(tǒng)的參數(shù)時(shí)變與非線性因素,因此各種智能控制方案于近幾年被開始應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組控制領(lǐng)域。4.1模糊控制適用于風(fēng)力機(jī)的控制模糊控制是一種典型的智能控制方法,其最大特點(diǎn)是將專家的經(jīng)驗(yàn)和知識表示為語言規(guī)則用于控制。它不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型,能克服非線性因素影響,對被調(diào)節(jié)對象的參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性。由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)隨機(jī)性的非線性系統(tǒng),因此模糊控制非常適合于風(fēng)力機(jī)的控制。模糊控制在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤、最大風(fēng)能捕獲、發(fā)電機(jī)最大功率獲取以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)魯棒性等方面取得了較好的控制效果?；\型異步發(fā)電機(jī)可采用模糊控制器跟蹤發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)最大空氣動(dòng)力效率、計(jì)算輕載時(shí)磁鏈以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)-逆變器效率優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)速度控制的魯棒性,可根據(jù)功率偏差及其變化取得在額定風(fēng)速以下運(yùn)行時(shí)的最大功率。變速恒頻無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用自適應(yīng)模糊控制模型,可實(shí)現(xiàn)較好的魯棒性和抗干擾能力,并且利用模糊控制可實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲并改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。大部分文獻(xiàn)采用的是簡單模糊控制器,主要缺點(diǎn)是控制精度不高,會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差,需要專家知識,缺乏自適應(yīng)能力。4.2基于數(shù)據(jù)的人工智能學(xué)習(xí)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有可任意逼近任何非線性模型的非線性映射能力,利用其自學(xué)習(xí)和自收斂性可作為自適應(yīng)控制器。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用來根據(jù)以往觀察風(fēng)速數(shù)據(jù)預(yù)測風(fēng)速變化等方面。變槳距風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器通過在線學(xué)習(xí)并修改Cp-λ特性曲線,實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲并減小機(jī)械負(fù)載力矩,根據(jù)風(fēng)速數(shù)據(jù)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性可建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參考自適應(yīng)控制模型?；跀?shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)是現(xiàn)代智能技術(shù)中的重要方面,研究從觀測數(shù)據(jù)出發(fā)尋找規(guī)律,利用這些規(guī)律對未來數(shù)據(jù)或無法觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測,來對工業(yè)過程進(jìn)行有效控制。這些學(xué)習(xí)方法包括模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等。在風(fēng)電系統(tǒng)中,可從運(yùn)行機(jī)組獲取大量重要數(shù)據(jù),以對機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性和性能進(jìn)行研究。因此,將上述基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法與風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的控制相結(jié)合,是解決風(fēng)機(jī)控制問題的重要途徑之一。5風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為提高風(fēng)力發(fā)電效率,降低成本,改善電能質(zhì)量,減少噪聲,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠運(yùn)行,風(fēng)力發(fā)電將向大容量、變轉(zhuǎn)速、直驅(qū)化、無刷化、智能化以及微風(fēng)發(fā)電等方向發(fā)展:(1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)大型化。這可以減少占地,降低并網(wǎng)成本和單位功率造價(jià),有利于提高風(fēng)能利用效率。(2)采用變槳距和變速恒頻技術(shù)。變槳距和變速恒頻技術(shù)為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制提供了技術(shù)保障。其應(yīng)用可減小風(fēng)力發(fā)電機(jī)的體積、重量和成本,增加發(fā)電量,提高效率和電能質(zhì)量。(3)風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。直接驅(qū)動(dòng)可省去齒輪箱,減少能量損失、發(fā)電成本和噪聲,提高了效率和可靠性。(4)風(fēng)力發(fā)電機(jī)無刷化。無刷化可提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性,實(shí)現(xiàn)