五、控制技術(shù)

風能是一類清潔無污染的可再生能源，是目前最具大規(guī)模開發(fā)利用前景的能源。但由于風能本身存在隨機性、間歇性的特點,發(fā)電質(zhì)量受風速、風向變化和外界干擾的影響很大，而且，風力發(fā)電機組通常設(shè)在風能豐富的地區(qū)，如邊遠地區(qū)，海島甚至海上,要求能夠無人值班運行和遠程監(jiān)控，這對發(fā)電機組的控制系統(tǒng)可靠性要求很高。所以，控制技術(shù)是風力發(fā)電的最關(guān)鍵技術(shù)之一。

1.最優(yōu)控制

最優(yōu)控制是尋求使得動態(tài)系統(tǒng)的性能指標達到最優(yōu)的控制，是現(xiàn)代控制理論的一個重要組成部分。風力發(fā)電系統(tǒng)所應(yīng)用的控制方法中，最優(yōu)控制技術(shù)應(yīng)用最早，相對比較成熟。但由于風力發(fā)電系統(tǒng)的本質(zhì)非線性，自然風風速和風向的隨機性以及風機的尾流效應(yīng)，不確定因素很多，而最優(yōu)控制的實現(xiàn)必須有一個精確數(shù)學模型為控制器設(shè)計基礎(chǔ)，這對風力發(fā)電系統(tǒng)未免要求過高，將最優(yōu)控制策略與其它控制方法，如與模糊邏輯控制、魯棒控制方法結(jié)合起來的混合控制技術(shù)，可有效解決風力發(fā)電系統(tǒng)的各類關(guān)鍵控制問題：提高風能轉(zhuǎn)換效率、改善電能品質(zhì)、減小柔性風電系統(tǒng)傳動鏈上的疲勞負載等。

2.滑模控制

滑模變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一種不連續(xù)的開關(guān)型控制，這種控制策略與其他控制的不同之處在于系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是可以在動態(tài)過程中，根據(jù)系統(tǒng)當前的狀態(tài)(如偏差及其各階導數(shù)等)有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預定“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動?；？刂凭哂锌焖夙憫?yīng)、對系統(tǒng)參數(shù)變化及擾動不敏感、無需系統(tǒng)在線辨識、設(shè)計簡單和易于實現(xiàn)等優(yōu)良特性。采用滑?？刂剖癸L力發(fā)電機始終工作在滑動面上，減少其牽引過程，可使系統(tǒng)在整個動態(tài)過程中對參數(shù)攝動和負荷擾動具有很強的魯棒性。此外，將滑動?？刂茟?yīng)用于風電機組的并網(wǎng)控制器中，可實現(xiàn)低速下的可靠發(fā)電控制。當風中的有效功率較低時，風力機工作于正常與失速兩種模態(tài)。滑動?？刂拼嬖谇袚Q抖動，會對風力機械設(shè)備造成沖擊。以力矩為控制信號，采用積分型滑動?？刂坡?，能有效地解決滑動模的切換抖動。

3.自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制的目標是自動補償在模型階次、參數(shù)和輸入信號方面非預知的變化。自適應(yīng)控制系統(tǒng)需要不斷進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，和參數(shù)的辨識或系統(tǒng)性能的指標的度量，以便得到系統(tǒng)當前狀態(tài)的改變情況，按一定的規(guī)律確定當前的控制策略，在線修改控制器的參數(shù)或可調(diào)系統(tǒng)的輸入信號。自適應(yīng)控制器用以改善風力發(fā)電機組在較大運行范圍中功率系數(shù)的衰減特性。在自適應(yīng)控制器中，通過測量系統(tǒng)的輸入輸出值，實時估計出控制過程中的參數(shù)，因此控制器中的增益是可調(diào)節(jié)的。超前自適應(yīng)控制方法控制風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓和齒輪箱的靜態(tài)增益，在負載與風速變化時,控制方法具有可靠快速響應(yīng)和有限的最大跟蹤誤差。非線性自適應(yīng)控制理論對風機實行變速控制，在不增加風能系統(tǒng)機械復雜性的條件下，自動調(diào)整發(fā)電機勵磁繞組電壓，此控制方法可在獲得平穩(wěn)漸進的轉(zhuǎn)子速度跟蹤的基礎(chǔ)上達到最大風能捕獲的目的。文獻[8]提出了一種應(yīng)用于變速風力渦輪控制系統(tǒng)中的自適應(yīng)控制策略。由于渦輪轉(zhuǎn)矩是時變非定常的，自適應(yīng)控制律用來提供渦輪轉(zhuǎn)矩的估計值。同時，還設(shè)計了一種自適應(yīng)反饋線性化控制器，以保證整個風力渦輪控制系統(tǒng)線性化。仿真結(jié)果表明，無論風力狀況如何變化,該控制器都能確保獲得最大風能，控制方法行之有效。

除了以上三種控制方法外，還有很多的控制方法在不斷的應(yīng)用到風力發(fā)電中，但是每種控制方式都有一定的缺點。采用兩種或多種先進控制方法的混合控制,如模糊自適應(yīng)控制、自適應(yīng)魯棒控制、PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，將是今后風電系統(tǒng)的控制研究方向。