新能源控制系統(tǒng)綜述

1、新能源控制系統(tǒng)綜述1352500Overview of new energy control systems1352500 Wu Xinran摘要：新能源是一種清潔、實用、經(jīng)濟和環(huán)境友好的可再生能源，可以為人類發(fā)展提供可持續(xù)的能源基礎(chǔ)。在未來能源系統(tǒng)中，新能源具有重要的地位。在發(fā)電系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)是確保機組安全可靠運行、優(yōu)化機組效率的關(guān)鍵。本文以風(fēng)能為例，介紹了風(fēng)能發(fā)電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點，然后對其應(yīng)用范圍及經(jīng)濟性特點進(jìn)行了概括和分析，最后對未來風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)的發(fā)展趨勢做了展望。：風(fēng)能發(fā)電 控制系統(tǒng) 特點 發(fā)展趨勢1風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機組主要由風(fēng)輪、發(fā)電機、電能變換單元和控制系統(tǒng)組成，如圖

2、 1 所示。圖 1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)輪通過葉片捕獲風(fēng)能，是吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換成機械能的部件。發(fā)電機實現(xiàn)機械能電能轉(zhuǎn)換。由于異步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，目前風(fēng)力發(fā)電幾乎均采用異步發(fā)電機。發(fā)電機所發(fā)出的電能有兩種處理方式：可以直接給負(fù)載供電或并入電網(wǎng)；也可以通過儲能設(shè)備進(jìn)行蓄能，再由電能變換單元將儲能設(shè)備輸出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電再供給負(fù)載或并網(wǎng)。儲能設(shè)備作為中間環(huán)節(jié)不僅可以將能量起來，還兼有穩(wěn)定電壓的優(yōu)點，這樣對負(fù)載供電更平穩(wěn)，對電網(wǎng)的沖擊亦可減小。風(fēng)能發(fā)電控制系統(tǒng)作為風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的中樞，機組的控制系統(tǒng)不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機組運行參數(shù)，對機組進(jìn)行并網(wǎng)、脫網(wǎng)控制，以確保運行過程的安全性和可靠性

3、，而且還要根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向的變化，對機組進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高機組的運行效率和發(fā)電量。總的來說，控制系統(tǒng)是保證整個機組正常、安全、高效運行的基礎(chǔ)。風(fēng)能發(fā)電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點風(fēng)能發(fā)電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在一個現(xiàn)代的風(fēng)電場，每臺風(fēng)力發(fā)電機組都必須有自己的控制系統(tǒng)，以接受和保護(hù)功能。它必須包括一個或多個以下附加元件：風(fēng)速儀：測量風(fēng)速，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破?；大量的傳感器：監(jiān)測和調(diào)節(jié)各種各樣的機械和電氣參數(shù)；控制中心提供的運行儲能設(shè)備電能變換負(fù)載或電網(wǎng)發(fā)電機風(fēng)力機械3） 失速控制器：在風(fēng)速達(dá)到設(shè)定的風(fēng)速 815以避免葉片超應(yīng)力，避免發(fā)電機過熱；/h 時起動組，在風(fēng)速為 5070/h 時停機，4） 電力電子裝置：

4、對電能進(jìn)行變換和調(diào)節(jié)，使其達(dá)到需要的標(biāo)準(zhǔn)；5） 電子控制系般采用計算機；電池：在獨立系統(tǒng)中提高符合可用性；輸電線路：將風(fēng)電場與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)連接起來。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各模塊所處的位置及功能不同，可將整個系統(tǒng)分為三層：動力學(xué)層、控制層、檢測層，如圖 2 所示。圖 2 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1） 動力學(xué)層動力學(xué)層為最低層。風(fēng)動力學(xué)包含外部環(huán)境和本體動力學(xué)兩大部分。前者包括時變的風(fēng)、浪涌（離岸Level 3監(jiān)測Level 2控制轉(zhuǎn)速/風(fēng)速功率Level 1動力學(xué)風(fēng)電網(wǎng)地基結(jié)構(gòu)動力學(xué)土壤結(jié)構(gòu)底層結(jié)構(gòu)動力學(xué)動力學(xué)機艙動力學(xué)塔架動力學(xué)變流器動力學(xué)濾波器轉(zhuǎn)換器變流器直流斬波器直流總線G電機動力學(xué)驅(qū)動鏈動力學(xué)齒輪

5、箱空氣動力學(xué)主動控制矢量控制矢量控制轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速控制MPPT/變槳控制偏航控制直流總線控制直流斬波器控制測量/環(huán)境/指令/限制條件自維持體系故障極限載荷疲勞載荷健康管理容錯載荷評估風(fēng)機）、地基土壤等，是進(jìn)行精確載荷分析和計算所必須考慮的；后者包括機艙動力學(xué)、底層結(jié)構(gòu)動力學(xué)、地基結(jié)構(gòu)動力學(xué)等，其中機艙是最為復(fù)雜的部分，包含風(fēng)輪、驅(qū)動鏈、發(fā)電卻直接相關(guān)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效能的組件。2） 控制層流器等非線性但控制層為中間層。其中，欠載荷時執(zhí)行 MPPT（umTracking）控制，即風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，控制目標(biāo)為最大風(fēng)能追蹤，通過轉(zhuǎn)矩控制調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，從而保持最佳葉尖速比，實現(xiàn)最大風(fēng)能轉(zhuǎn)化。滿載荷時執(zhí)行變槳控制

6、，即風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，主要通過變槳距限制風(fēng)能吸收，使輸出功率維持在額定功率。此外還有其他輔助控制措施，即為實現(xiàn)上述 MPPT 和變槳而采取的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速控制、矢量控制、DC-bus/chopper 控制，以及為自動對風(fēng)采取的偏航控制、為并入電網(wǎng)采取的并網(wǎng)控制等。3） 檢測層檢測層為最上層。本層對于保證高效安全的控制，系統(tǒng)狀態(tài)、測量、控制命令及限制條件等信息在本層和控制層之間傳遞。進(jìn)一步地，可將本層劃分為三個模塊，模塊 1 包括疲勞載荷、極限載荷及故障；模塊 2 為健康管理模塊，包括載荷評估和容錯機制；模塊 3 為自維持體系，在檢測層充當(dāng)“大腦”的角色，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)更安全高效地工作。2.1.2

7、風(fēng)能發(fā)電控制系統(tǒng)的特點（1）對風(fēng)系統(tǒng)控制方式自然界的風(fēng)方向多變，只有讓風(fēng)垂直地吹向風(fēng)輪轉(zhuǎn)動面，風(fēng)力機才能最大限度地獲得風(fēng)能。對于小容量的風(fēng)力發(fā)電機，往往在風(fēng)輪后面裝一個類似風(fēng)向標(biāo)的尾舵，來實現(xiàn)對風(fēng)的控制。對于大容量的風(fēng)力發(fā)電機組，通常配有專門的對風(fēng)裝置偏航系般由風(fēng)向傳感器和伺服電機組成。在機艙后面的頂部有兩個互相獨立的傳感器（風(fēng)速計和風(fēng)向標(biāo)）。當(dāng)風(fēng)向發(fā)生改變時，風(fēng)向標(biāo)登記這個方位，并傳遞信號到控制器，然后控制器控制偏航系統(tǒng)采用電力或拖動來完成對風(fēng)動作，偏航方式通常采用齒輪驅(qū)動轉(zhuǎn)艙。（2）發(fā)電流器控制方式1）發(fā)電機控制方式矢量控制是風(fēng)力發(fā)電機的經(jīng)典控制方式，此外還有直接轉(zhuǎn)矩控制、復(fù)合控制等，并在

8、此基礎(chǔ)上衍生出一系列改進(jìn)的控制技術(shù)。例如，基于無速度傳感器的矢量控制和基于多重化滑模觀測器的矢量控制技術(shù)，通過設(shè)計觀測器來估計轉(zhuǎn)子位置或轉(zhuǎn)速，將估計與控制相結(jié)合以改善控制精度，但實時性和2）變流器控制方式性偏低。采變流控制是最常見的方式，可實現(xiàn)能量的雙向和功率傳輸，其中整流器多采用直接電流控制。例如，從變流器角度最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，以降低對變流器容量的要求；針及模塊之間的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)處理，使得各模塊輸出電壓和對變流器并聯(lián)運行控制問題電流保持嚴(yán)格同步。各模塊的風(fēng)能發(fā)電控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍及經(jīng)濟性特點風(fēng)能發(fā)電控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍風(fēng)能作為新型可再生資源，除了將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能而降低其速度外，并不煤炭、

9、石油、核電、能板等附加污染，是相對清潔的能源。所以風(fēng)能發(fā)電被認(rèn)為是安全、環(huán)保、技術(shù)成新能源。相對核電，其更安全；相對能，其規(guī)模開發(fā)成本更低；相對生物質(zhì)能，相對海洋能和潮汐能，其能力更強。我國風(fēng)能資源豐富，集中在東南沿海及附近島嶼、東北、華北、西北及一些分散的內(nèi)陸地區(qū)，海上風(fēng)能資源也蘊藏豐富。其中，三北地區(qū)的風(fēng)能儲備約占陸地可用儲量的 80%，且地域平坦遼闊、風(fēng)速較平穩(wěn)，是大規(guī)模建設(shè)風(fēng)場的良好處所。同時，我國海岸線長，海上風(fēng)速高且靜風(fēng)期少，發(fā)電利用率高；由于海水表面粗糙度低、海風(fēng)湍流強度小且風(fēng)速隨高度變化不明顯，因此海上風(fēng)電有益于機組高效減載荷運行。2.2.2 風(fēng)能發(fā)電控制系統(tǒng)的經(jīng)濟性特點隨著近

10、 10 年來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，其發(fā)電成本大幅下降。大致來講，隨著發(fā)電規(guī)模提高一倍，發(fā)電成本降低 10%左右。近 5 年來，從包括基礎(chǔ)建設(shè)成本、財務(wù)成本、運營成本等方面綜合評價（見表 1），風(fēng)力發(fā)電已遠(yuǎn)不到 0.5 元/kWh，其使用期的總成本費用已具備火電和水電競爭的實力。表 1 經(jīng)濟性特點參數(shù)描述表2.3 風(fēng)能發(fā)電控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢風(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及其控制與信息傳遞過程的智能控制。由于空氣動力學(xué)的不確定性和電力電子模型的復(fù)雜性，使風(fēng)電機組成為一個復(fù)雜多變量非線性系統(tǒng)，具有不確定性和多干擾等特點，致使風(fēng)力

11、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)時變與非線性用于風(fēng)電機組控制領(lǐng)域。2.3.1 模糊控制模糊控制是一種典型的智能控制方法，其最大特點是將它不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，因此能克服非線性，因此各種智能控制方案于近幾年被開始應(yīng)的經(jīng)驗和知識表示為語言規(guī)則用于控制。影響。由于風(fēng)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(fēng)力機的控制。模糊控制在發(fā)電機轉(zhuǎn)速、最大風(fēng)能捕獲、發(fā)電機序號內(nèi)容參數(shù)描述備注1陸上風(fēng)電場規(guī)模MW1002風(fēng)電機組單機容量kW15003等效滿負(fù)荷發(fā)電小時數(shù)h170

12、0、1900、2100、2300、2500按照 5 種風(fēng)資源狀況分別分析4千瓦投資元/kW8000、9000、10000按照 3 種投資狀況分別分析5年折現(xiàn)率%8主要用于衡量項目自有占用的機會成本6運行成本分/kWh第一年第二年4 分/kWh，第三年第十年 8 分/kWh，第十一年第二十年 10分/kWh，隨著風(fēng)電設(shè)備備品備件的國產(chǎn)化，年 成本平均降低 1%，截至 2015 年建設(shè)項目，運營期經(jīng)營成本降低 7%并維持不變。一般地，風(fēng)電項目投產(chǎn)運行后，前兩年風(fēng)機由廠家保 修，年成本很低，隨著風(fēng)機運行時間推移，年成本逐年增加。7發(fā)電量kWh隨著國產(chǎn)風(fēng)電設(shè)備技術(shù)不斷進(jìn)步，發(fā)電性能不斷提高，故障處理能

13、力不斷增強，2015 年發(fā)電量提高 10%左右。8投資成本萬元隨著國產(chǎn)風(fēng)電設(shè)備技術(shù)不斷進(jìn)步，設(shè)備成本不斷降低， 2015 年投資成本降低 7%。最大功率獲取等方面取得了較好的控制效果。籠型異步發(fā)電機可采用模糊控制器發(fā)電機轉(zhuǎn)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，可根據(jù)功率偏差及其變化取得在額定風(fēng)速以下運行時的最大功率。2.3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有可任意逼近任何非線性模型的非線性能力，利用其習(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)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)控制器通過學(xué)習(xí)并修改特性曲線，實

14、現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲并減小機械負(fù)載力矩，根據(jù)風(fēng)速數(shù)據(jù)和風(fēng)力發(fā)電機動態(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)的機器學(xué)習(xí)是現(xiàn)代智能技術(shù)中的重要方面，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，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)、支持向量機等。在風(fēng)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(jìn)行。因此，將上述基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的機器學(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)機控制問題的重要途徑之一。參考文獻(xiàn).新能源及其發(fā)電技術(shù).中國水利水電1234567，2013.Mukund R.Pa，朱, Wind and Solarer Sys