陳文靜
(甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅嘉峪關(guān),735100)
新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,由風(fēng)力機(jī)、傳統(tǒng)裝置、傳感器、發(fā)電機(jī)等組成,在日常管理中,為確保新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行,需要對(duì)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)測(cè),以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),一旦新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生異常狀態(tài),便于及時(shí)的介入與管理,確保新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行,防止意外事故的發(fā)生。為達(dá)到上述目的,需要將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用到其中,自適應(yīng)控制技術(shù)能夠根據(jù)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的管理需要,根據(jù)遍布于新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的傳感器,對(duì)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),如負(fù)荷、風(fēng)況、工況等信息,進(jìn)行詳盡的監(jiān)測(cè)與記錄,為新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障的解決提供詳盡的數(shù)據(jù)支撐;實(shí)現(xiàn)DCS通信功能,無(wú)需人工到場(chǎng)解決,讓新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程操控能力,解決新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所遇到的一些常見問題,如調(diào)整新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量、并網(wǎng)條件等。
新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因使用風(fēng)力帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,因而對(duì)風(fēng)力的要求較高,需要及時(shí)有效的測(cè)量風(fēng)力,根據(jù)風(fēng)力的變化調(diào)整風(fēng)向、功率,以精準(zhǔn)匹配風(fēng)力變化,讓新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大程度的利用風(fēng)力,實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。在推進(jìn)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的智能化建設(shè)中,應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù),能夠有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)限速、剎車功能、偏航、解纜、通信等方面的自動(dòng)化控制,為其向智能化方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。如在剎車功能方面,當(dāng)根據(jù)安裝在新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)位置的傳感器檢測(cè)到異常數(shù)據(jù)時(shí),如風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速過高、超出了新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率限制時(shí),新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)立刻啟動(dòng)預(yù)警裝置,向工作人員發(fā)送預(yù)警信息,并立即自動(dòng)降低風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速,斷開與電網(wǎng)之間的聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)與電網(wǎng)分離、降低葉片轉(zhuǎn)速直到葉片不再轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的剎車。在此過程中,新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的程序自動(dòng)運(yùn)行,減少了人工介入時(shí)的等待時(shí)間,能夠極大的提高新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性,降低因突發(fā)情況導(dǎo)致的新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)受損現(xiàn)象的出現(xiàn);且隨著人工智能技術(shù)在新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用,憑借人工智能強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力,能夠根據(jù)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行而總結(jié)經(jīng)驗(yàn),從而與自適應(yīng)控制技術(shù)相配合,更加充分發(fā)揮自適應(yīng)控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。
新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由多個(gè)設(shè)備組成,主要為發(fā)電機(jī)、風(fēng)力機(jī)、塔架、變槳偏航系統(tǒng)、槳葉、電控系統(tǒng)、聯(lián)軸器等,其中較為主要的為發(fā)電機(jī)、電力機(jī)、槳葉等。按照風(fēng)力發(fā)電的不同方式,新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型兩種,所使用的的分別為并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率、容量較小,多分布無(wú)電網(wǎng)地區(qū),為家庭、小型設(shè)備供電使用,常見于偏遠(yuǎn)地區(qū)。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)的選擇上,通常使用異步發(fā)電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī),其中永磁發(fā)電機(jī)的建設(shè)成本較高,可根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是與電網(wǎng)并在一起,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸送到電網(wǎng)中進(jìn)行傳輸,因而并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率、容量較大,可以為一個(gè)村莊、集鎮(zhèn)供電,并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛,目前在內(nèi)蒙古、河北等地區(qū)得到了快速發(fā)展,以解決電力不足的問題。無(wú)論是并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),還是離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),其運(yùn)行原理如下:自然風(fēng)達(dá)到一定的風(fēng)力以后,通常為每秒三公尺的微風(fēng)速度即可帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng),新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的增速機(jī)開始介入,并加快葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的速度,當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到一定的速度以后,會(huì)帶動(dòng)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)開始工作,發(fā)電機(jī)內(nèi)部線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流可達(dá)到500-1500千瓦;為使發(fā)電機(jī)能夠持續(xù)運(yùn)行,新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)會(huì)集成偏航裝置,即借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)艙,讓轉(zhuǎn)子帶動(dòng)葉片使其始終能夠?qū)χL(fēng)的方向,以最大程度的利用風(fēng)能;考慮到發(fā)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)帶來(lái)熱量的堆積,為快速散熱,讓發(fā)電機(jī)安全穩(wěn)定的運(yùn)行,會(huì)通過冷卻元件降低新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的溫度,冷卻元件為風(fēng)扇、水冷等,具體視新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的大小選擇不同的冷卻裝置;當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行起來(lái)以后,儲(chǔ)能電池開始運(yùn)轉(zhuǎn),將發(fā)電機(jī)輸送的電力儲(chǔ)存到蓄電池中;若需要并網(wǎng),則將新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電力經(jīng)過調(diào)壓以后,并入到電網(wǎng)之中。在并網(wǎng)時(shí),通過并網(wǎng)控制裝置,以降壓運(yùn)行和整流逆變?yōu)榧夹g(shù)手段,將新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電壓調(diào)整至與電網(wǎng)一致的時(shí)候,就可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電、輸送電力。新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行期間,需要根據(jù)風(fēng)力的變化,實(shí)時(shí)調(diào)整偏航裝置、制動(dòng)系統(tǒng)、葉片轉(zhuǎn)速等,讓新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于良好的運(yùn)行狀態(tài),因而從新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作原理來(lái)說(shuō),需要使用自適應(yīng)控制技術(shù),以實(shí)現(xiàn)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能。
風(fēng)力渦輪輸出和轉(zhuǎn)速控制需要根據(jù)風(fēng)力的變化而進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的調(diào)整,傳統(tǒng)的控制措施對(duì)人工的依賴性較強(qiáng),需要人工進(jìn)行判斷以后,才能夠向新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)下達(dá)渦輪輸出和轉(zhuǎn)速控制的指令,不能夠有效契合風(fēng)力的變化,存在一定的滯后性。在將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用于新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪輸出和轉(zhuǎn)速控制方面,可根據(jù)風(fēng)力渦輪輸出的需要,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制的動(dòng)態(tài)化調(diào)整。如當(dāng)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過傳感器檢測(cè)到風(fēng)力處于和風(fēng)、勁風(fēng)、疾風(fēng)等恒速狀態(tài)時(shí),可判定風(fēng)力渦輪輸出功率處于P狀態(tài),為使風(fēng)力渦輪輸出P狀態(tài)達(dá)到最大值,需要對(duì)葉片、渦輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整,即將轉(zhuǎn)速調(diào)整至ω。在這一過程中,自適應(yīng)控制技術(shù)可通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)力變化,判定風(fēng)速是否處于恒速區(qū)間,若處于恒速期間,則將風(fēng)力渦輪輸出功率調(diào)整至P狀態(tài);然后線性化模塊排除風(fēng)力干擾因素,確定相關(guān)參數(shù)值,不斷提升轉(zhuǎn)速ω的參數(shù),讓轉(zhuǎn)速提升至ω狀態(tài),從而使風(fēng)力渦輪輸出功率P達(dá)到最大、最佳狀態(tài),全力帶動(dòng)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)工作,輸出源源不斷的電流。應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)調(diào)整風(fēng)力渦輪輸出功率和轉(zhuǎn)速,這一過程中減少了人工操作的環(huán)節(jié),由自適應(yīng)機(jī)制、線性化模塊發(fā)揮作用,大大加強(qiáng)了對(duì)風(fēng)力渦輪輸出功率P和轉(zhuǎn)速ω的自動(dòng)調(diào)整、控制能力,讓風(fēng)力渦輪輸出功率P和轉(zhuǎn)速ω可根據(jù)風(fēng)力的變化、風(fēng)力恒速的狀態(tài)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行微調(diào),始終保持風(fēng)力渦輪輸出功率P和轉(zhuǎn)速ω與風(fēng)向、風(fēng)力一致。
發(fā)電機(jī)作為新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部位,為更好的利用風(fēng)能,將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電力,需要根據(jù)風(fēng)力風(fēng)速、方向的變化,對(duì)變槳距系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,調(diào)節(jié)輪轂上的葉片,讓變槳距系統(tǒng)的槳距角大小按照調(diào)節(jié)的幅度發(fā)生變化,從而改變風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)葉片與氣流之間的攻角,在應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)以后,對(duì)變槳距系統(tǒng)的調(diào)整可通過最大功率跟蹤法實(shí)現(xiàn),最大功率跟蹤法是適應(yīng)發(fā)電機(jī)最大功率而推出的一種變槳距系統(tǒng)調(diào)整與控制技術(shù)。當(dāng)發(fā)電機(jī)在風(fēng)力的帶動(dòng)下開始工作以后,此時(shí)若風(fēng)速為恒速狀態(tài),發(fā)電機(jī)的輸出功率處于穩(wěn)定狀態(tài)以后,此時(shí)最大功率跟蹤法開始發(fā)揮作用,通過計(jì)算讓槳距角保持在最優(yōu)的狀態(tài),并對(duì)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整,讓其能夠處于額定功率的狀態(tài)下輸出電流??紤]到風(fēng)力并非一直能夠處于恒速狀態(tài),若風(fēng)力發(fā)生變化,則槳距角、電磁轉(zhuǎn)矩、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)均需要根據(jù)風(fēng)力、風(fēng)速的變化進(jìn)行調(diào)整,因而需要對(duì)發(fā)電機(jī)的功率進(jìn)行計(jì)算。其原理如下:當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出功率發(fā)生變化以后,表示為r+,變槳距系統(tǒng)中的模糊推理模塊經(jīng)過計(jì)算以后,輸出,然后PID控制器對(duì)輸出與輸入的偏差進(jìn)行計(jì)算,若風(fēng)能增加,則調(diào)小槳距角,讓風(fēng)能的利用系數(shù)增大,提高電磁轉(zhuǎn)矩和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速,以增大發(fā)電機(jī)的輸出功率;若風(fēng)能降低,則需要調(diào)大槳距角,以適應(yīng)風(fēng)能的變化,讓槳葉上的能量損失降低,此時(shí)可提高風(fēng)輪轉(zhuǎn)速,讓發(fā)電機(jī)快速調(diào)整至額定功率,降低發(fā)電機(jī)的輸出功率。通過將自適應(yīng)控制技術(shù)在發(fā)電機(jī)功率與變槳距系統(tǒng)中的應(yīng)用,能夠發(fā)揮模糊自適應(yīng)PID控制器的優(yōu)勢(shì),即模糊自適應(yīng)PID控制器根據(jù)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù),建立起與槳距角、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)整相關(guān)的參數(shù),如槳距角、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩的初始值、性能指標(biāo)、耦合度等,這些數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)到模糊自適應(yīng)PID控制器中。當(dāng)外界的風(fēng)力、風(fēng)速發(fā)生變化以后,可啟動(dòng)模糊自適應(yīng)PID控制器,通過模糊推理輸出偏差變化率,以實(shí)時(shí)調(diào)整,從而與發(fā)電機(jī)的輸出功率相匹配,讓發(fā)電機(jī)的輸出功率P與槳距角的調(diào)整更加自動(dòng)化。
新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)風(fēng)能的利用,需要時(shí)刻關(guān)注風(fēng)力、風(fēng)速、天氣等情況的變化,才能夠有效調(diào)整槳距角、葉片轉(zhuǎn)動(dòng)速度、發(fā)電機(jī)功率等參數(shù),而實(shí)現(xiàn)上述操作的前提,需要具備大量的線性和非線性參數(shù),這一操作的實(shí)現(xiàn)需要運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之后,可憑借人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的強(qiáng)大學(xué)習(xí)與計(jì)算能力,對(duì)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行累積、存儲(chǔ)、分析,從中發(fā)現(xiàn)槳距角、葉片轉(zhuǎn)動(dòng)速度、發(fā)電機(jī)功率等參數(shù)的常用數(shù)值;然后根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)力的變化,建立起相應(yīng)的模糊自適應(yīng)控制參數(shù),當(dāng)風(fēng)力、風(fēng)速變化到這一區(qū)間以后,可以立刻調(diào)用相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整槳距角、葉片轉(zhuǎn)動(dòng)速度、發(fā)電機(jī)功率后,快速適應(yīng)風(fēng)速、風(fēng)力的變化,讓發(fā)電機(jī)功率及時(shí)達(dá)到輸出功率P和轉(zhuǎn)速ω,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變槳距系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)參數(shù)調(diào)整時(shí)存在的滯后性、模糊性等問題的解決,構(gòu)建起快速?gòu)椥哉{(diào)整機(jī)制。此外人工智能技術(shù)在新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)之中的應(yīng)用,還能夠提升自適應(yīng)控制技術(shù)對(duì)故障的發(fā)現(xiàn)、預(yù)警、消除等能力,在實(shí)現(xiàn)對(duì)變槳距系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)功率、風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)速等自動(dòng)化調(diào)整的過程中,難免因?yàn)樾履茉达L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一些硬件和軟件的錯(cuò)誤,而導(dǎo)致相應(yīng)故障的產(chǎn)生,此時(shí)可充分發(fā)揮人工智能技術(shù)的優(yōu)勢(shì),賦予自適應(yīng)控制技術(shù)排查、篩選、定位故障的能力,并發(fā)出相應(yīng)的警示消息,如根據(jù)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī),結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而開發(fā)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,極大的增強(qiáng)了對(duì)發(fā)電機(jī)齒輪箱故障的判定能力。當(dāng)發(fā)電機(jī)齒輪箱出現(xiàn)故障以后,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,可及時(shí)的定位齒輪箱故障,并分析其故障形成原因,提供相應(yīng)的故障解決方案,從而讓新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障判定更加智能。
在新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,因受到干擾因素較多,因而新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在線性化模型的設(shè)計(jì)控制器方面,需要實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的參數(shù),才能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)性的操控。為此在自適應(yīng)控制技術(shù)方面,未來(lái)將會(huì)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)的智能化控制。在最優(yōu)參數(shù)的智能化控制方面,會(huì)根據(jù)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)量、風(fēng)速等調(diào)節(jié)控制變流器,通過控制變流器的輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的控制,然后利用傳感器捕獲額定風(fēng)速風(fēng)能,從而達(dá)到控制風(fēng)力與發(fā)電機(jī)輸出功率的目的。在相應(yīng)的參數(shù)設(shè)計(jì)方面,通過對(duì)參數(shù)的相應(yīng)調(diào)整,可以使新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)參數(shù)建立數(shù)據(jù)庫(kù),根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù),對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。隨著人工智能技術(shù)的應(yīng)用、信息技術(shù)的進(jìn)步,可以根據(jù)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所面臨的情況,模擬一些新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的使用場(chǎng)景,在模擬測(cè)試的過程中,對(duì)變槳距系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行、風(fēng)力渦輪等參數(shù)進(jìn)行分析,觀察不同參數(shù)情況下變槳距系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、風(fēng)力渦輪等是否會(huì)發(fā)生異常情況,對(duì)發(fā)生的異常情況進(jìn)行記錄,并再次調(diào)整進(jìn)行模擬測(cè)試,直到找到最優(yōu)參數(shù)位置??紤]到外界風(fēng)力發(fā)生的變化,需要將最優(yōu)參數(shù)設(shè)置在一定的區(qū)間內(nèi),讓最優(yōu)參數(shù)能夠在合理區(qū)間內(nèi)進(jìn)行微調(diào),以適應(yīng)風(fēng)速的相應(yīng)變化。
得益于微積分、專家診斷系統(tǒng)的引入,在未來(lái)自適應(yīng)控制技術(shù)在計(jì)算能力方面將會(huì)大大增強(qiáng)。微積分與專家診斷系統(tǒng)所具備的強(qiáng)大邏輯分析、計(jì)算能力,能夠?qū)π履茉达L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的各方面運(yùn)行情況進(jìn)行分析,從而發(fā)現(xiàn)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中存在的一些問題,并進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,從而使新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。得益于自適應(yīng)控制技術(shù)運(yùn)行模型的建立,會(huì)對(duì)新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行、故障等,建立起更加直觀的分析模型,從而實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算與分析。