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現(xiàn)代控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2012-08-09 來源:《風(fēng)能》 瀏覽數(shù):1510

  由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是個典型的多變量、強耦合、非線性系統(tǒng),不易進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)建模,這樣一來,通過常規(guī)方法進(jìn)行風(fēng)電機組控制系統(tǒng)設(shè)計的可行性與有效性大大降低。然而,模型預(yù)測控制技術(shù)恰恰是針對這一類問題而提出的,它可以通過數(shù)學(xué)算法對系統(tǒng)模型進(jìn)行估計,得到預(yù)測模型,再通過預(yù)測模型設(shè)計控制算法,對風(fēng)電機組實施合理、有效的控制,以便改善運行可靠性、提高運行效率。
  在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,風(fēng)資源是整個系統(tǒng)源動力,它的隨機性和多變性是不容忽視的,對于風(fēng)資源進(jìn)行預(yù)測是控制系統(tǒng)設(shè)計過程中的首要問題,使用模型預(yù)測算法對風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測,對于風(fēng)電機組控制可以起到關(guān)鍵作用。為了提高風(fēng)電場短期風(fēng)速預(yù)測的精確度,可以將小波分解法、經(jīng)驗?zāi)J椒纸夥白钚《酥С窒蛄繖C相結(jié)合等其他方法對風(fēng)速時間序列進(jìn)行短期多步預(yù)測建模,并且可以通過風(fēng)電場風(fēng)速容許區(qū)間預(yù)測方法來解決單次預(yù)測誤差過大的問題。
  通過預(yù)測控制算法對風(fēng)力機變槳距系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié),預(yù)測控制過程可以采用雙模型切換來解決由于電液比例變槳距執(zhí)行機構(gòu)的差動回路設(shè)計和風(fēng)力負(fù)載的單方向性造成槳葉順槳和逆槳時系統(tǒng)模型不一致的問題。進(jìn)行變槳距控制后,再依據(jù)運行工況進(jìn)行模型預(yù)測控制,不但解決了風(fēng)電機組系統(tǒng)模型難以精確建立的困難,而且去除了可測量的主要外擾——風(fēng)速隨機變化對系統(tǒng)動態(tài)控制品質(zhì)的影響,從而提高了變距系統(tǒng)的響應(yīng)快速性和抗干擾能力。
  此外,還可以從風(fēng)力機運行特性出發(fā),結(jié)合風(fēng)力機在不同工況點的非線性模型,提出了先進(jìn)的控制算法的非線性模型預(yù)測控制(NMPC)來實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲以及風(fēng)力機全工況運行的最優(yōu)控制,獲得最大功率輸出。將數(shù)據(jù)挖掘算法和模型預(yù)測控制結(jié)合起來控制風(fēng)機系統(tǒng),可以對風(fēng)速、湍流強度以及輸出功率等目標(biāo)實現(xiàn)良好的控制。在變流器來控制方面,應(yīng)用線性模型預(yù)測控制器提供關(guān)鍵的控制信號來控制整流逆變器的觸發(fā)角來調(diào)節(jié)直流電壓,并且盡可能地減小理論電壓值與實際電壓值之間的差值,實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲,提高發(fā)電質(zhì)量。
 8 H∞魯棒控制在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

魯棒控制理論是在H 空間( 即Hardy 空間),通過某些性能指標(biāo)的無窮范數(shù)優(yōu)化而獲得具有魯棒性能的控制器的一種控制理論。將魯棒控制理論用于風(fēng)電機組的穩(wěn)定運行控制應(yīng)是最佳的選擇。因為風(fēng)能在不斷隨時間變化,對于風(fēng)電機組任何一個子系統(tǒng),當(dāng)風(fēng)能激勵時,系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)的能量增益最小,也就是的范數(shù)最小時,控制系統(tǒng)輸出的不穩(wěn)定力也最小,并保證系統(tǒng)按照既定的目標(biāo)軌跡運行。
  風(fēng)能是一種波動性能源,風(fēng)速脈動往往引起風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率脈動。變槳距風(fēng)電系統(tǒng)功率控制系統(tǒng)的參數(shù)具有擾動性,對于槳距控制器的設(shè)計,針對系統(tǒng)參數(shù)的不確定性提出逆系統(tǒng)魯棒補償方法以抑制系統(tǒng)參數(shù)的擾動,可以在風(fēng)速任意波動條件下有效地控制風(fēng)電系統(tǒng)的輸出功率水平,并且對參數(shù)化和非參數(shù)化擾動具有較強的魯棒性。采用基于動態(tài)逆的非線性內(nèi)模控制方法設(shè)計風(fēng)電機組在額定風(fēng)速以上工作時的槳距角魯棒控制律,可以使輸出功率維持在額定值附近。利用非線性魯棒控制技術(shù)設(shè)計的控制器,既可以實現(xiàn)發(fā)電機輸出有功功率和無功功率魯棒解耦控制,同時使轉(zhuǎn)子勵磁控制具有魯棒干擾抑制作用。
  在風(fēng)速和風(fēng)向不斷變化的情況下,捕獲最大風(fēng)能、提高風(fēng)能利用率是高效風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)要解決的問題之一。采用魯棒PID 控制器設(shè)計轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),可以使變速風(fēng)力發(fā)電機在設(shè)計風(fēng)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運行,而且依靠變速控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)低風(fēng)速區(qū)的最大風(fēng)能跟蹤和高風(fēng)速區(qū)的恒功率控制。由于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)受風(fēng)能不確定性和不穩(wěn)定性的影響,采用魯棒控制方法設(shè)計的控制器,使系統(tǒng)對參數(shù)不確定性及負(fù)載擾動具有較強的魯棒性,并且能快速地跟蹤風(fēng)速,提高風(fēng)能利用率。

【延伸閱讀】

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