李先法

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 432000）

探究風(fēng)力發(fā)電中的電力電子技術(shù)和控制技術(shù)

李先法

（湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 432000）

在能源危機(jī)與供電壓力的考驗(yàn)下，風(fēng)力發(fā)電以其優(yōu)越的條件而受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。盡管我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的開(kāi)發(fā)建設(shè)規(guī)模已達(dá)3083萬(wàn)kW，但其在風(fēng)機(jī)控制、輸電和并網(wǎng)等方面仍存在一些亟待解決的問(wèn)題。在本文，筆者主要討論電力電氣技術(shù)與控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用，以期促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的推廣應(yīng)用。

風(fēng)力發(fā)電；電力電氣技術(shù)；控制技術(shù)

引言

數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)2014年的發(fā)電總量為5.46萬(wàn)億kW，其中風(fēng)力發(fā)電量為1.534億kW，同比增長(zhǎng)9.49%，占全國(guó)發(fā)電總量的2.78%，可見(jiàn)其發(fā)展?jié)摿薮?。面?duì)這一發(fā)展局勢(shì)，行業(yè)越來(lái)越重視對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，以解決其中存在的固有問(wèn)題及滿(mǎn)足其在未來(lái)的發(fā)展需要。在本案，筆者分別介紹電力電氣技術(shù)與控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用。

1 電力電子技術(shù)

在IGBT、交直流變頻器和矩陣變換器等電力電子器件發(fā)展的推動(dòng)下，電力電子技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中得到了廣泛的應(yīng)用，具體如下：

（1）儲(chǔ)能技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電的特征是風(fēng)速不穩(wěn)定及風(fēng)能無(wú)法直接存儲(chǔ)，而為了保證供電的穩(wěn)定性，則需重視對(duì)風(fēng)能儲(chǔ)存技術(shù)的研究?，F(xiàn)階段，風(fēng)力發(fā)電主要采用蓄電池和超導(dǎo)線(xiàn)圈兩種儲(chǔ)能方式。另外，不間斷電源具有在輸入電源中斷時(shí)繼續(xù)供電的特征，這正好又與風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性特征相適應(yīng)，因此備受關(guān)注。在風(fēng)力發(fā)電中，電力電子技術(shù)的應(yīng)用主要從不間斷電源結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)出來(lái)，即其采用了功率MOSFET、IGBT和脈寬調(diào)制技術(shù)等電力電子器件，從而提高了風(fēng)能儲(chǔ)存的可靠性和效率。

（2）輸電技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電的另一特征是需求充足的風(fēng)力資源，這對(duì)于偏遠(yuǎn)的風(fēng)力發(fā)電站來(lái)講，將會(huì)在輸電技術(shù)上遭遇瓶頸。目前，風(fēng)力發(fā)電采用的輸電方式仍以交流輸送為主，但其存在諸多不足。因此，風(fēng)力發(fā)電輸電系統(tǒng)將會(huì)逐漸擴(kuò)大對(duì)高壓直流輸電（或稱(chēng)HVDC）技術(shù)的應(yīng)用，其具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、異步聯(lián)網(wǎng)、性?xún)r(jià)比高和結(jié)構(gòu)優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。在HVDC技術(shù)中，電力電子技術(shù)的應(yīng)用體現(xiàn)在可關(guān)斷器件選用IGBT、GTO等上。同時(shí)，PMW等技術(shù)的應(yīng)用也十分廣泛，并實(shí)現(xiàn)了更小的直流輸電投入和更高的質(zhì)量。另外，輕型直流輸電（或稱(chēng)HVDCILight）在風(fēng)力發(fā)電輸電中的作用也十分明顯，即其支持電網(wǎng)與海上風(fēng)電場(chǎng)的交流網(wǎng)異步運(yùn)行，并具有極強(qiáng)的抗故障能力。在未來(lái)的風(fēng)力發(fā)電輸電中，靈活交流輸電系統(tǒng)（或稱(chēng)FACTS）將擁有廣闊的應(yīng)用前景，即其集現(xiàn)代控制技術(shù)與電力電子技術(shù)為一體，可快速控制功率潮流、相位角和系統(tǒng)參數(shù)等，從而實(shí)現(xiàn)了輸電能力的提高及系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）濾波與補(bǔ)償。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)在供電網(wǎng)絡(luò)的尾端，因此閃變、電源波動(dòng)和諧波污染等極易對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響。對(duì)此，可在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中使用以靜止無(wú)功補(bǔ)償器（或稱(chēng)SVC）為主的補(bǔ)償和以有源電力濾波器（或稱(chēng)APF）為主的濾波來(lái)消除配電網(wǎng)的影響因素。其中，SVC所用的高頻開(kāi)關(guān)使得無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)得到了質(zhì)的飛躍，其常在中高壓電力系統(tǒng)中用來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，SVC的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷改變的快速跟蹤及無(wú)功補(bǔ)償，從而穩(wěn)定了風(fēng)力發(fā)電中的電壓及提升了電能質(zhì)量，另外，將SVC配在風(fēng)電機(jī)的側(cè)安，可增加阻尼及實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的動(dòng)態(tài)控制，而將SVF配在電網(wǎng)中，可減少振蕩及提供無(wú)功支持。APF的工作原理如下：采用瞬時(shí)無(wú)功理論控制和可關(guān)斷型電力電子器件來(lái)對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的電壓、電流進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)由電力控制器向負(fù)荷供給畸變電流，以保證系統(tǒng)及時(shí)獲得所需的電源電流。實(shí)踐表明，APF具有響應(yīng)時(shí)間快、控制功能強(qiáng)、閃變補(bǔ)償率高及快速濾除高次諧波等優(yōu)點(diǎn)。

2 控制技術(shù)

風(fēng)能具有明顯的間歇性和隨機(jī)性，因此風(fēng)向與風(fēng)速變化及外界因素會(huì)對(duì)發(fā)電質(zhì)量產(chǎn)生較大干擾，同時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般設(shè)在海島、山區(qū)、高原等風(fēng)能富足的偏遠(yuǎn)地區(qū)，因此要求實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和無(wú)人值班運(yùn)行。對(duì)此，應(yīng)在發(fā)電機(jī)組控制中引入控制技術(shù)，具體如下：

（1）最優(yōu)控制。最優(yōu)控制的目的是使動(dòng)態(tài)系統(tǒng)獲得最優(yōu)的性能指標(biāo)，其是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用最早的控制方法，目前已發(fā)展到較為成熟的水平。但風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有非線(xiàn)性特征及存在多種不確定性因素，而最優(yōu)控制器需以精確的數(shù)學(xué)模型為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，則需將最優(yōu)控制與魯棒控制、模糊邏輯控制等結(jié)合成混合控制技術(shù)，方才能實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的有效控制及實(shí)現(xiàn)更高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率、更優(yōu)的電能品質(zhì)等。

（2）滑?？刂啤；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制是一種間斷的開(kāi)關(guān)型控制，其結(jié)構(gòu)具有不固定性，即可在動(dòng)態(tài)過(guò)程按系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)有計(jì)劃地發(fā)生改變，以使系統(tǒng)按預(yù)設(shè)的狀態(tài)軌跡運(yùn)行。實(shí)踐表明，滑?？刂凭哂性O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)無(wú)需在線(xiàn)識(shí)別、擾動(dòng)不敏感、響應(yīng)快速及實(shí)現(xiàn)難度低等優(yōu)點(diǎn)。在滑模控制下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)總在滑動(dòng)面工作，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷擾動(dòng)與參數(shù)攝動(dòng)的魯棒性。

（3）自適應(yīng)控制。自適應(yīng)控制的目的是在模型參數(shù)、階次和輸入信號(hào)中對(duì)無(wú)法預(yù)知的變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。自適應(yīng)控制系統(tǒng)要求不斷識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)及度量系統(tǒng)的性能指標(biāo)，以便及時(shí)獲取系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)的改變，同時(shí)按一定的要求提出相應(yīng)的控制策略，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)可調(diào)系統(tǒng)輸入信號(hào)或控制器參數(shù)的在線(xiàn)修改。

（4）模糊控制。模糊控制是一種基于模糊邏輯推理、模糊語(yǔ)言變量和模糊集合論的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制或智能控制方法，其最為明顯的特征是以語(yǔ)言規(guī)則來(lái)表示專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)及知識(shí)，并用在實(shí)際控制中。模糊控制不受受控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的影響，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，且具有較強(qiáng)的魯棒性和較好的動(dòng)態(tài)性。得益于模糊控制的優(yōu)越性，近年來(lái)，基于模糊控制的智能控制方法在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制中得到了廣泛的應(yīng)用。

（5）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模擬人的直觀性思維的控制方式及規(guī)模龐大的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，即對(duì)以分布式方式存儲(chǔ)的信息進(jìn)行并行協(xié)同處理，因此具有較強(qiáng)的魯棒性、容錯(cuò)性、自學(xué)能力及非線(xiàn)性映射能力，即可任意逼近非線(xiàn)性模型。目前，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的典型模型包括BP網(wǎng)絡(luò)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)了全部或局部的模糊邏輯控制功能。

綜上，電力電子技術(shù)與控制技術(shù)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)最大化開(kāi)發(fā)利用風(fēng)力資源的技術(shù)條件，其在實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電成本最低化、效率最大化及質(zhì)量最優(yōu)化等方面發(fā)揮了重要的作用，理應(yīng)加以重視。

[1]沈艷霞，李帆.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障診斷方法綜述[J].控制工程，2013，20（5）：789～795.

[2]張興，楊耕.風(fēng)力發(fā)電中的電力電子與系統(tǒng)技術(shù)專(zhuān)輯特邀主編評(píng)述[J].電力電子技術(shù)，2011，45（8）：1～2.

[3]朱寧，曾繁禮.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究綜述[J].科技與企業(yè)，2014（15）：438.

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1004-7344（2016）18-0042-01

2016-6-1