風力發(fā)電系統(tǒng)的魯棒控制研究

風力發(fā)電系統(tǒng)的魯棒控制研究

1風力發(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)。由于風能開發(fā)有著巨大的經(jīng)濟、社會、環(huán)保價值和發(fā)展前景,近20年來風電技術有了巨大的進步,風電開發(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力發(fā)電理論與技術研發(fā)方面起步較早,因而目前處于世界領先地位。與風電發(fā)達國家相比,中國在風力發(fā)電機制造技術和風力發(fā)電控制技術方面存在較大差距,目前國內(nèi)只掌握了定槳距風機的制造技術和剛剛投入應用的兆瓦級永磁直驅(qū)同步發(fā)電機技術,在風機的大型化、變槳距控制、主動失速控制、變速恒頻等先進風電技術方面還有待進一步研究和應用。發(fā)電機是風力發(fā)電機組中將風能轉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,也影響整個風電轉換系統(tǒng)的性能和裝置結構的復雜性。風能是低密度能源,具有不穩(wěn)定和隨機性特點,控制技術是風力機安全高效運行的關鍵,因此研制適合于風電轉換、運行可靠、效率高、控制且供電性能良好的發(fā)電機系統(tǒng)和先進的控制技術是風力發(fā)電推廣應用的關鍵。本文分析比較了各種風力發(fā)電機的優(yōu)缺點,介紹了相關風力發(fā)電控制技術,闡述了具有魯棒性的非線性智能控制方法在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用,最后對未來風力發(fā)電機和風力發(fā)電控制技術作了展望。2風機2.1傳統(tǒng)風力機的勇敢機2.1.1東南角正槳恒速發(fā)電機籠型異步發(fā)電機是傳統(tǒng)風力發(fā)電系統(tǒng)廣泛采用的發(fā)電機。系統(tǒng)結構如圖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裝置,箭頭指功率P的流動方向。其工作原理是利用電容器進行無功補償,在高于同步轉速附近作恒速運行,采用定槳距失速或主動失速槳葉,單速或雙速發(fā)電機運行。由于電機轉子整體強度、剛度都比較高,不怕飛逸,比較適合風力發(fā)電這種特殊場合,所以籠型異步發(fā)電機發(fā)展很快,其技術日趨成熟,在世界各大風電場與風力機配套的發(fā)電機中,絕大多數(shù)是采用籠型異步發(fā)電機,但不能有效地利用風能,效率低。2.1.2轉子回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)繞線式異步發(fā)電機由電機轉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)整轉子回路的電阻,從而調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉差率,發(fā)電機的轉差率可增大至10%,能實現(xiàn)有限變速運行,提高輸出功率,同時采用變槳距調(diào)節(jié)和轉子電流控制,可以提高動態(tài)性能,維持輸出功率穩(wěn)定,減小陣風對電網(wǎng)的擾動。其系統(tǒng)結構如圖2所示。2.1.3風力發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)結構為了降低異步發(fā)電機并網(wǎng)運行中功率變換器的功率,雙饋異步發(fā)電機被廣泛應用于風力發(fā)電系統(tǒng)中,通過控制轉差頻率可實現(xiàn)發(fā)電機的雙饋調(diào)速。但是此種電機是有刷結構,運行可靠性差,需要經(jīng)常維護,并且此種結構不適合于運行在環(huán)境比較惡劣的風力發(fā)電系統(tǒng)中。系統(tǒng)結構如圖3所示。系統(tǒng)結構如圖4所示。變換器與發(fā)電機定子相連,電壓源型逆變器的直流側提供電機轉子繞組的激勵電流。通過控制功率變換器的電壓來改變發(fā)電機定子繞組的電流,從而控制發(fā)電機的輸出力矩。通過控制功率變換器的超前、滯后電流來控制整個機組的無功功率及有功功率輸出。此種風力發(fā)電機組具有噪聲低、電網(wǎng)電壓閃變小及功率因數(shù)高等優(yōu)點。2.2新能源發(fā)電2.2.1發(fā)電機轉子側識別開關磁阻發(fā)電機具有結構簡單、能量密度高、過載能力強、動靜態(tài)性能好、可靠性和效率高的特點。系統(tǒng)結構如圖5所示。作電動機運行時,勵磁電流產(chǎn)生的旋轉磁場使轉子動作,改變相繞組通電順序,電機可處于連續(xù)運動的工作狀態(tài);作發(fā)電機運行時,電機的各個物理量隨著轉子位置的變化作周期性變化,當電機相電感隨轉子位置變化減小時,給相繞組通以勵磁電流,則在定子側發(fā)生電磁感應,將機械能轉化為電能。當開關磁阻電機運行在風力發(fā)電系統(tǒng)中時,起動轉矩大、低速性能好,常被用于小型(<30kW)的風力發(fā)電系統(tǒng)中。2.2.2新型風力機電機其基本原理與有刷雙饋異步發(fā)電機相同,主要區(qū)別是取消了電刷,此種電機彌補了標準型雙饋電機的不足,兼有籠型、繞線型異步電機和電勵磁同步電機的共同優(yōu)點,功率因數(shù)和運行速度可以調(diào)節(jié),因此適合于變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng),其缺點是增加了電機的體積和成本。2.2.3電刷裝置結構永磁無刷直流發(fā)電機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,采用切向永磁體轉子勵磁,外電樞結構。此種電機不但具有直流發(fā)電機電壓波形平穩(wěn)的優(yōu)點,也具有永磁同步發(fā)電機壽命長,效率高的優(yōu)點,適合在小型風力發(fā)電系統(tǒng)中應用。2.2.4風能驅(qū)動旋轉永磁同步發(fā)電機采用永磁體勵磁,無需外加勵磁裝置,減少了勵磁損耗;同時它無需換向裝置,因此具有效率高,壽命長等優(yōu)點。當電機轉子被風能驅(qū)動旋轉時,定子與轉子產(chǎn)生相對運動,在繞組中產(chǎn)生感應電流。與等功率一般發(fā)電機相比,永磁同步發(fā)電機在尺寸及重量上僅是它們的1/3或1/5。由于此種發(fā)電機極對數(shù)較多,且操作上同時具有同步電機和永磁電機的特點,因此適合于采用發(fā)電機與風輪直接相連、無傳動機構的并網(wǎng)形式。2.2.5磁力傳動發(fā)電系統(tǒng)全永磁懸浮風力發(fā)電機結構上完全由永磁體構成、不帶任何控制系統(tǒng),其最大特點是“輕風起動,微風發(fā)電”,起動風速為1.5m/s,大大低于傳統(tǒng)的3.5m/s。通過采用磁力傳動技術和磁懸浮技術,可克服永磁風力發(fā)電機輸出特性偏軟的缺點。系統(tǒng)由原動力傳送裝置、磁力傳動調(diào)速裝置、磁輪、永磁發(fā)電機等幾部分組成。其低風速啟動技術,對開發(fā)國內(nèi)廣大地區(qū)的低風速資源,增加風力發(fā)電機的年發(fā)電時間有積極意義。3自動控制原則由于自然風速的大小和方向的隨機變化,風力發(fā)電機組切入電網(wǎng)和切出電網(wǎng)、輸入功率的限制、風輪的主動對風以及對運動過程中故障的檢測和保護必須能夠自動控制。風力發(fā)電系統(tǒng)的控制技術從定槳距恒速運行至基于變槳距技術的變速運行,已經(jīng)基本實現(xiàn)了風力發(fā)電機組從能夠向電網(wǎng)提供電力到理想地向電網(wǎng)提供電力的最終目標。3.1槳葉節(jié)距與轉速關系定槳距風力發(fā)電機組于20世紀80年代中期開始進入風力發(fā)電市場,主要解決了風力發(fā)電機組的并網(wǎng)問題、運行安全性與可靠性問題。采用了軟并網(wǎng)技術、空氣動力剎車技術、偏行與自動解纜技術。槳葉節(jié)距角在安裝時已經(jīng)固定,發(fā)電機轉速由電網(wǎng)頻率限制,輸出功率由槳葉本身性能限制。當風速高于額定轉速時,槳葉能夠通過失速調(diào)節(jié)方式自動地將功率限制在額定值附近,其主要依賴于葉片獨特的翼型結構,在大風時,流過葉片背風面的氣流產(chǎn)生紊流,降低葉片氣動效率,影響能量捕獲,產(chǎn)生失速。由于失速是一個非常復雜的氣動過程,對于不穩(wěn)定的風況,很難精確計算出失速效果,所以很少用在MW級以上的大型風力發(fā)電機的控制上。3.2風力發(fā)電機工作原理從空氣動力學角度考慮,當風速過高時,可以通過調(diào)整槳葉節(jié)距、改變氣流對葉片攻角,從而改變風力發(fā)電機組獲得的空氣動力轉矩,使輸出功率保持穩(wěn)定。采用變槳距調(diào)節(jié)方式,風機輸出功率曲線平滑,在陣風時,塔筒、葉片、基礎受到的沖擊較失速調(diào)節(jié)型風力發(fā)電機要小很多,可減少材料使用率,降低整機重量。其缺點是需要一套復雜的變槳距機構,要求其對陣風的響應速度足夠快,減小由于風的波動引起的功率脈動。3.3風機變槳距控制這種技術是前兩種技術的組合。低風速時采用變槳距調(diào)節(jié)可達到更高的氣動效率,當風機達到額定功率后,風機按照變槳距調(diào)節(jié)時風機調(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。3.4系數(shù)最大的運行方式變速運行是風機葉輪跟隨風速變化改變其旋轉速度,保持基本恒定的最佳葉尖速比,風能利用系數(shù)最大的運行方式。與恒速風力發(fā)電機組相比,變速風力發(fā)電技術具有低風速時能夠根據(jù)風速變化在運行中保持最佳葉尖速比獲得最大風能、高風速時利用風輪轉速變化儲存的部分能量以提高傳動系統(tǒng)的柔性和使輸出功率更加平穩(wěn)、進行動態(tài)功率和轉矩脈動補償?shù)葍?yōu)越性。4過程智能控制風力發(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)學模型為基礎的傳統(tǒng)控制方法和模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的智能控制。由于空氣動力學的不確定性和電力電子模型的復雜性,使風電機組成為一個復雜多變量非線性系統(tǒng),具有不確定性和多干擾等特點,致使風力發(fā)電系統(tǒng)很難用數(shù)學模型來描述,所以傳統(tǒng)控制方法在風力發(fā)電系統(tǒng)中不適用。由于智能控制可充分利用其非線性、變結構、自尋優(yōu)等各種功能來克服系統(tǒng)的參數(shù)時變與非線性因素,因此各種智能控制方案于近幾年被開始應用于風電機組控制領域。4.1模糊控制適用于風力機的控制模糊控制是一種典型的智能控制方法,其最大特點是將專家的經(jīng)驗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)具有較強的魯棒性。由于風力發(fā)電系統(tǒng)是一個隨機性的非線性系統(tǒng),因此模糊控制非常適合于風力機的控制。模糊控制在發(fā)電機轉速跟蹤、最大風能捕獲、發(fā)電機最大功率獲取以及風力發(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)電機可采用模糊控制器跟蹤發(fā)電機轉速以實現(xiàn)最大空氣動力效率、計算輕載時磁鏈以實現(xiàn)發(fā)電機-逆變器效率優(yōu)化、實現(xiàn)發(fā)電機速度控制的魯棒性,可根據(jù)功率偏差及其變化取得在額定風速以下運行時的最大功率。變速恒頻無刷雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)采用自適應模糊控制模型,可實現(xiàn)較好的魯棒性和抗干擾能力,并且利用模糊控制可實現(xiàn)最大風能捕獲并改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。大部分文獻采用的是簡單模糊控制器,主要缺點是控制精度不高,會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差,需要專家知識,缺乏自適應能力。4.2基于數(shù)據(jù)的人工智能學習人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有可任意逼近任何非線性模型的非線性映射能力,利用其自學習和自收斂性可作為自適應控制器。在風力發(fā)電系統(tǒng)中,神經(jīng)網(wǎng)絡可以用來根據(jù)以往觀察風速數(shù)據(jù)預測風速變化等方面。變槳距風力發(fā)電系統(tǒng)中可采用神經(jīng)網(wǎng)絡控制器通過在線學習并修改Cp-λ特性曲線,實現(xiàn)風能的最大捕獲并減小機械負載力矩,根據(jù)風速數(shù)據(jù)和風力發(fā)電機動態(tài)特性可建立神經(jīng)網(wǎng)絡參考自適應控制模型?；跀?shù)據(jù)的機器學習是現(xiàn)代智能技術中的重要方面,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)進行預測,來對工業(yè)過程進行有效控制。這些學習方法包括模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機等。在風電系統(tǒng)中,可從運行機組獲取大量重要數(shù)據(jù),以對機組的動態(tài)特性和性能進行研究。因此,將上述基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的機器學習方法與風能轉換系統(tǒng)的控制相結合,是解決風機控制問題的重要途徑之一。5風力發(fā)電系統(tǒng)為提高風力發(fā)電效率,降低成本,改善電能質(zhì)量,減少噪聲,實現(xiàn)穩(wěn)定可靠運行,風力發(fā)電將向大容量、變轉速、直驅(qū)化、無刷化、智能化以及微風發(fā)電等方向發(fā)展:(1)風力發(fā)電機大型化。這可以減少占地,降低并網(wǎng)成本和單位功率造價,有利于提高風能利用效率。(2)采用變槳距和變速恒頻技術。變槳距和變速恒頻技術為大型風力發(fā)電機的控制提供了技術保障。其應用可減小風力發(fā)電機的體積、重量和成本,增加發(fā)電量,提高效率和電能質(zhì)量。(3)風力發(fā)電機直接驅(qū)動。直接驅(qū)動可省去齒輪箱,減少能量損失、發(fā)電成本和噪聲,提高了效率和可靠性。(4)風力發(fā)電機無刷化。無刷化可提高系統(tǒng)的運行可靠性,實現(xiàn)