非线性控制在风力发电机中的应用

非线性控制在风力发电机中的应用

邵广安 406107008001 电机电器

摘要：由于我国的经济快速发展，能源和电力紧缺，风力发电事业逐渐被国人所重视。不同的风能转换系统具有不同的设计目标 , 控制系统是风能转换系统的重要组成部分 , 也是控制工程界一直十分关注的问题 ,然而,这类问题一直没有得到完善的解决 , 继续具有挑战性 , 大量的文献不断涌现。最后介绍了变桨距风力机的线性和非线性控制。最后对风力发电机的控制的技术进行了展望，对用模糊控制、自适应控制、神经元网络控制得优缺点进行了分析。

关键词：风能转换系统 变桨距风力机 控制系统 非线性控制 智能控制

Abstract：As the rapid development of economic in China, energy and power are becoming shortage, wind power generation gradually being got more attention by citizens. different wind energy conversion system with different design goal, the control system is wind power converter system, is also an important part of the control engineering has been concerned with the problem, however, this kind of problem has not been perfect solution, continue to challenging, extensive literature emerge. Then variable pitch wind turbine of the linear and nonlinear control is being introduced. Finally, the control of wind turbine technology is predicted, the advantages and disadvantages of using fuzzy control, adaptive control, and neural network control has being analyzed. Key words: wind energy conversion system;variable pitch wind turbine control system non-linear control intelligent control

一、概述

1、风力发电的必要性

随着经济的快速发展,能源的消费逐年增加 ,常规能源资源面临日益枯竭的窘境 , 迫切需要一些清洁、无污染、可再生的新能源。在目前众多可再生能源与新能源技术开发中 , 最具规模化开发条件和商业化发展前景、潜力最大的就是风力发电。风能虽是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源 , 但是 , 由于风能能量密度小、稳定性差、不能储存、效率较低 , 利用风能发电比用水力发电困难得多 ,使得风力发电系统在技术上和管理上都出现了一些特殊问题。实际上 , 风能转换系统所发出的电能 ,若不加以控制 , 并不具备太大的商业使用价值 , 若直接并入电网 , 是对电网的一种污染 — — — 绝大多数情况下 , 只对电网的谐波有贡献 , 而且会影响局部电网运行的稳定性。风力发电机组控制目标通常有很多项 , 控制方法多种多样 , 但目前亟待解决的两个核心问题是: 风能的最大捕获以提高风能转换效率、以及改善电能质量问题。风能转换系统具有强非线性 , 且风电场风能参数不确切可知 , 具有强烈的随机性、时变性、不确定性 , 含有未建模或无法准确建模的动态部分 , 对这样的系统实现有效控制是极为困难的。随着电力电子技术及微型计算机的发展 , 先进的控制方法在风能转换系统控制中的应用研究已几乎遍及系统的各个领域 , 不少有价值的研究论文见诸于国内外学术会议、学术刊物上 , 取得了一批有价值的成果。本文介绍了现代控制技术的基本方法及应用 , 提出若干需解决的问题。我国能源和电力短缺形势严峻，已经成为经济高速发展的严重制约。如果按照党的十六大提出的走新型工业化道路，到2020年我国国内生产总值要实现比2000年翻两番的总目标。我国2003年的能源消费总量为16.78亿吨标准煤，如果能源消费也随之翻两番，到2020年我国能源消费总量将达到近60亿吨标准煤。我国常规能源(煤、石油和天然气)探明总资源量约8200亿吨标准煤，探明剩余可采总储量1500亿吨标准煤，按照2020年的能源消费总量计算，我国的常规能源仅能够满足我国25年的使用，也就是说，到2045年，我国的常规能源将消耗殆尽。因此，能源消费翻两番将令我国的国情难以承受。随着经济的高速发展，电力供需矛盾日趋突出，众所周知，我

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国每年到用电高峰季节，各地电网经常出现拉闸限电的现象。这还是在我国人均能源消费量只有世界人均能源消费水平的一半的基础上，如果我们在未来发展中向发达国家看齐，能源和电力可持续发展的任务将更为艰巨!综合资源、技术、经济、环保四方面的因素，大规模发展风力发电是解决我国能源和电力短缺的最现实的战略选择。从20世纪90年代开始，世界能源电力市场发展最为迅速的已经不再是石油、煤和天然气，而是太阳能发电、风力发电等可再生能源异军突起。就能源、电力而言，21世纪将是可再生能源的世纪。

2、国内外风力发电发展的现状及发展趋势

风电一直是世界上增长最快的能源，装机容量年增长超过30%。到2003年初，全球风力发电装机容量达到3200万千瓦，亦即其总量已经相当于犯座标准的核电站，足以供应1600万欧洲普通家庭或4000万欧洲居民的电力需求。几年来，风力发电的发展不断超越其预期的发展速度。过去5年中全球风电累计装机容量的平均增长率，一直保持在33%，而每年新增风电装机容量的增长率则更高，平均为35.7%。 （一）、国外风力发电产业的现状

国外风电企业起步较早，一般以独资或合资方式运行。为了降低成本和提高市场竞争能力，风电机组沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率的方向发展。上世纪末，风电机组主流规格在欧洲是750Kw，到2002年前后，主流机型已经达到1.SMW以上。兆瓦级以下，失速型机组在当今的大型风电机市场上仍占据相当的份额。随着机组大型化的发展，兆瓦级以上的机组技术普遍采用了变桨变速的先进技术。欧洲的风电企业占了全球市场的50%以上。基于一次能源的枯竭和环境保护考虑 ,世界各国都把开发新的再生能源作为能源发展方向 ,对电力供应而言 ,潜力最大的是利用风力和太阳能发电 。应用新材料和先进技术开发研制的大功率并网型风力发电机组使风力发电效率不断提高 ,成本日益下降 ,欧美许多国家的风电上网电价己具备火电竞争的能力 ,世界风力发电总功率已超过13GW ,欧洲某些国家风力发电量已 占到全国总发电量的10% 。在20年内风力发电可满足世界电力需求量的10%。 （二）、国外风力发电产业的现状

我国风力发电已有一定规模的发展 ,联网风力发电总装机容量已达370MW 。但大型并网型风电机组主要依赖进口的现状 ,造成风电上网电价过高 ,已成为制约我国风电发展的一个主要因素 。目前风力发电面临2个函待解决的问题——发电效率的提高和风电质量的控制 。提高风能利用效率、降低发电成本是发展风电事业的必备前提 ,许多学者在风力发电设备和风电系统性能改善方面进行了大量研究 ,但还未取得满意的成果 。现代控制技术和电力电子技术的发展为上述2个问题的解决提供了技术基础 ,应用这些最新发展的技术开展对这2个关键问题的研究 ,对我国风电事业发展和能源结构改造具有重大意义 ,也是我国赶上世界先进风力发电技术的契机。我国是一个风能资源丰富、分布广泛的国家。如果按年利用小时数2000—25O0h计，风电的年发电量可达5060亿~6325亿KWh。风力发电非常适合我国风力资源丰富的偏远山区、农村、海岛等不适合大规模建设电力网的地区进行供电，成为一次能源的重要补充。但是目前我国的风力发电事业还处于起步阶段，装机容量只占全国发电总装机容量的0.11%，国内大型风力机的制造水平和控制技术与国外先进技术有较大差距。国内所建设的各大型风力发电场主要靠进口设备，平均每千瓦造价约1000美元，这也是风电成本较高的主要原因。另外，一个影响风力发电大规模应用的重要原因是风力发电的稳定性问题，风能具有很高的不确定性，这将导致输出的功率不能像传统的火电、水电那样保持恒定，当接入电网的风机容量不断增大时，这种不确定性会对电网的正常运行产生较大影响，甚至威胁电网的安全稳定运行。在国家科技部等有关部门的主持下，我国大型风力发电机组及其部件在设计制造方面取得很大的进展，完成了以600KW风力发电机组为主导机型的国产化进程。截止到2003年，600KW风力发电机组国产化率达96%，国产化机组在风电市场累计占有率为15.35%。目前，我国已经拥有750Kw以下各类风电设备的制造能力，兆瓦级风力发电机组正在研究试验阶段，风电机组正由定桨距型向变桨距型过渡。我国风力发电机组设备制造厂大多是近6一8年组建完成的，通过合资或许可证方式引进国外成熟技术，开发研制具有自主知识产权

风力发电机组的能力相对较弱。750KW以下的风力发电机组主要零部件如叶片、齿轮箱、发电机、偏航装置、电控系统、塔架等已经国产化，并可进行批量生产。其中，中航(保定)惠腾风电设备有限公司已完成

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了750KW机组配套叶片的开发，正在开发研制130OKW风力发电机组叶片。重庆齿轮箱有限责任公司已开发研制出了600KW、75OKW齿轮箱，正在开发研制130OKW的齿轮箱。兰州电机厂、湘潭电机厂、永济电机厂则完成了600Kw、750KW风力发电机组发电机国产化设计、制造，正在开发研制130oKw发电机。 3、风力发电的原理

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。 风力发电机的工作原理比较简单，风轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为风轮轴的机械能。发电机在风轮轴的带动下旋转发电。 风轮是集风装置，它的作用是把流动空气具有的动能转变为风轮旋转的机械能。一般风力发电机的风轮由2个或3个叶片构成。在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。 风力发电机中调向器的功能是使风力发电机的风轮随时都迎着风向，从而能最大限度地获取风能。一般风力发电机几乎全部是利用尾翼来控制风轮的迎风方向的。尾翼的材料通常采用镀锌薄钢板。 限速安全机构是用来保证风力发电机运行安全的。限速安全机构的设置可以使风力发电机风轮的转速在一定的风速范围内保持基本不变。 塔架是风力发电机的支撑机构，稍大的风力发电机塔架一般采用由角钢或圆钢组成的桁架结构。风力机的输出功率与风速的大小有关。由于自然界的风速是极不稳定 的，风力发电机的输出功率也极不稳定。风力发电机发出的电能一般是不能直接用在电器上的，先要储存起来。目前风力发电机用的蓄电池多为铅酸蓄电池。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。 风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。

风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含 量的小系统：风力发电机＋充电器＋数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转 为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产 生电能。 风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。

通常人们认为，风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定，总想选购大一点的风力发电机，而这是不正确的。目前的风力发电机只是给电瓶充电，而由电瓶把电 能贮存起来，人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。在内地，小的风力发电机会 比大的更合适。因为它更容易被小风量带动而发电，持续不断的小风，会比一时狂风更能供给较大的能量。当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能，也就是说 一台200W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用，获得500W甚至1000W乃至更大的功率出。

二、风力发电机的变桨距控制

1、变桨距风力发电机的控制系统

（1）起动时的速度控制

起动时的转速控制系统，在风力发电机组进入待机状态或从待机状态重新起动时投入工作，如图2-1所示，在此过程中通过对桨距角控制，转速以一定的变化率上升。控制器也用于在同步转速(1500rpm)时的控制。当发电机转速在同步转速士10rpm内持续数秒发电机将切入电网。

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图2-1 起动时的速度控制

控制器为常规的PID控制器，接着是桨距角的非线性化环节，通过非线性化处理，增益随桨距角的增加而减小，以此补偿由于转子空气动力学产生的非线性，因为当功率不变时，转矩对桨距角的比是随桨距角的增加而增加的。当风力发电机组从待机状态进入运行状态过程中，变桨距系统先将桨叶桨距角快速地转到45°，风轮在空转状态进入同步转速。当转速从0增加到500rpm时，桨距角给定值从45°线性地减小5°。这一过程不仅使转子具有高起动力矩，而且在风速快速地增大时能够快速起动。 （2）发电机并网状态的速度控制

发电机切入电网后，速度控制系统如图2-2所示，速度控制系统受发电机转速和风速的双重控制。在达到额定值前，速度给定值随功率给定值按比例增加。额定的速度给定值是1560rpm，相应的发电机转差率是4%。如果风速和功率输出一直低于额定值，发电机转差率将降低到2%，桨距控制将根据风速调整到最佳状态，以优化叶尖速比。

图2-2 发电机并网状态的速度控制系统

如果风速高于额定值，发电机转速通过改变节距来跟随相应的速度给定值。功率输出将稳定的保持在额定值上。从图2一9中可以看出，在风速信号输入端设有低通滤波器，节距控制对瞬变的风速并不响应。 与起动时的速度控制相比，并网状态时的速度控制系统增加了速度非线性化环节。这样一来，就增加了小转差率时的增益，以便控制节距角加速趋于0度。 2、变桨距风力机理想状态下总的控制策略

根据调速风力发电机组在不同区域的运行，我们将基本控制策略确定为:低于额定风速时，跟踪线，以获得最大能量;高于额定风速时，跟踪转速，

曲

曲线，并保持输出稳定。为了便于理解，我们先假定变桨

距风力发电机组的桨叶节距角是恒定的。当风速达到起动风速后，风轮转速由零增大到发电机可以切入的

值不断上升，风力发电机组开始作发电运行。通过对发电机转速进行控制，风力发电机组逐渐进

)，这时机组在最佳状态下运行。随着风速增大，转速也在增大，最终达到一个允许的

入入恒定区(

最大值，这时，只要功率低于允许的最大功率，转速便保持恒定。在转速恒定区，随着风速增大，值减少，但功率仍然增大。达到功率极限后，机组进入功率恒定区，这时随风速的增大，转速必须降低，使叶尖速比减少的速度比在转速恒定区更快，从而使风力发电机组在更小的C，值下作恒功率运行。图2-3表示了变速风力发电机组在三个工作区运行时，

值的变化情况。

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