第1章 绪论
1.1 风电技术的研究意义
1.1.1 能源现状概述
能源和环境问题是当今世界所面临的两大课题,而能源则是备受关注的焦点,是一个国家赖以发展的生命线。随着当前世界经济尤其工业和生产规模的持续扩大,能源消耗呈现以下几大特点:
(1)一次性能源消耗量持续增加。根据英国《2011年BP世界能源统计》(如图1.1所示),煤炭、石油等一次性能源消费量居高不下,而此类传统能源的开采已进入公认的中后期,发展压力巨大。
图1.1 2011年BP世界能源统计消耗情况
(2)发展中国家能源消费增长率较高。例如,按照《2011年BP世界能源统计》,中国已超过美国成为世界能源消耗第一大国。这在引发业内争论的同时,对我国未来能源消费模式的转变提出了挑战:在满足刚性能源消费需求的情况下,做好环境保护和节能减排,加强可再生能源的利用,是一项至关重要的战略措施。
(3)能源消费格局渐趋优化。如图1.1所示,占主导地位的一次性能源——石油的消耗比率正趋于稳定;风能、太阳能、水电、核能等可再生能源比率正逐步增加,在过去的5年中对全球能源贡献超过了10%。
由此可见,可再生能源的发展是受到石油价格高涨、气候变化及环境影响、金融危机及政治经济刺激等综合因素的作用,未来将呈现以下两大发展趋势:
(1)能源发展多元化和清洁化。在经历了以煤炭、石油为主导的高消耗时代后,风能、太阳能等清洁型可再生能源将日益受到重视,加入到能源大家庭并逐步扮演更重要的角色。美国2009年通过的《清洁能源安全法案》要求到2020年电力部门至少有12%的发电来自风能、太阳能等可再生能源,欧盟要求在20%以上,我国2007年制定的《可再生能源发展规划》也提出15%的发展目标。
(2)能源发展高效化和规模化。世界各国对于能源的利用率差异显著,尤其发展中国家对于新能源的高效化利用仍有很大空间,体现在新能源本身及其配套设施、管理配置、优化供应等多方面,尤其在多种新能源大规模协调利用及监控技术上仍有待进一步提高。同时,随着能源利用规模加大,政府应逐步降低对能源发展的直接干预,依靠科技进步和政策引导,使得能源生产和利用的自主规范化程度得到提高,以吸引外来先进技术和投资,建立良性循环的能源开发利用体系。
1.1.2 发展风电的意义
风电被认为是安全、环保、技术成熟的新能源。相对核电,其更安全;相对太阳能,其大规模开发成本更低;相对于生物质能,其技术更成熟;相对于海洋能(包括潮汐能),其产业化能力更强。
起初风电曾被认为其成本远高于火电和水电而受到冷落,而随着能源危机及清洁能源大势所趋,特别是近10年来风力发电技术的日趋成熟,其发电成本大幅下降。大致来讲,随着发电规模提高一倍,发电成本降低10%左右。根据国内机构的测算,近5年来,从包括基础建设成本、财务成本、运营维护成本等方面综合评价,风力发电已远不到1元/kWh,其使用期的总成本费用已接近新投资的火电和水电。
概括来看,风电作为新型可再生能源,具有以下优势:
(1)资源丰富。风能在地球上的蕴藏量极其充沛,其很少一部分如果能转换为电力,即可满足全部电力需求。我国幅员辽阔,可开发利用的风能储量约3×108kW。
(2)清洁无污染。风电除了将风能转换为机械能而降低其速度外,并无煤炭、石油、核电、太阳能板等附加污染,是相对清洁的新能源。
(3)建设周期短。风场的建设和选址目前已有相对成熟的技术支持,可以因地制宜地快速展开风场建设。在先期条件允许的情况下,建设速度相比火电、水电提高5~10倍,且单机之间可独立无干扰的安装,占地面积相对较小。
(4)战略意义大。目前我国通过了《可再生能源法》,在国家中长期发展规划中,将风电的自主创新提升至战略高度,作为提高国家技术竞争力的重要保证。而且,我国地域间的经济差异显著,西部、中北部地广人稀且发展相对落后,而风资源相对丰富。发展分散式风电场,有助于提升当地工业基础、优化能源结构、减轻电网负担,对于国家战略规划具有深远的政治意义和经济意义。
1.2 风电技术的研究现状
1.2.1 风电现状总览
表1.1为BP公司发布的2001—2007年各国累计风电装机容量。可见,风电在世界范围内的发展很不平衡:欧洲的装机量约占总量的2/3,而亚太地区不到1/5。其中,德国、美国、西班牙、丹麦等发达国家优势明显,中国也快速跃居前列,但必须清醒地看到,我国在发电效率、运行维护及自主产权方面仍与先进国家有较大差距。
表1.1 2001—2007年各国累计风电装机容量
从风场建设成本的构成角度,机组成本为主导,占总成本的一半以上,其余成本包括基础建设、线路建设、电气控制与测量设备、用地成本,以及后期维护成本等。
随着技术的成熟和成本的降低,各国装机容量迅速扩大,机组从千瓦级快速发展至兆瓦级风机,并向海上风场进军。根据BTM咨询公司2010年统计资料分析,2009年全球累计装机容量10大市场排名情况如表1.2所示。由表可见,中国2007—2009年期间新增装机量尤为显著,已跃居世界第二位。
表1.2 2009年全球累计装机容量10大市场
表1.3为2009年全球十大风电设备供应商在国际市场上的累计装机份额。由表可见,到2009年全球10大供应商累计提供1.42亿千瓦的机组,占总量的84.5%。我国已有3家公司进入前10名。
表1.3 2009年全球10大风电设备供应商在国际市场上的累计装机份额
中国风能资源丰富,主要集中在东南沿海及附近岛屿、东北、华北、西北(三北)及一些分散的内陆地区,海上风能资源也蕴藏丰富。其中,三北地区的风能储量约占全国陆地可用储量的4/5,且地域平坦辽阔、风速较平稳,是大规模建设风场的良好处所。同时,我国海岸线长,海上风速高且静风期少,发电利用率高;由于海水表面粗糙度低、海风湍流强度小且风速随高度变化不明显,因此海上风电有利于机组高效减载荷运行,是未来风电发展的重要方向。
从机组产业化角度,我国从“十五”期间750kW机组研制到目前的兆瓦级机组研制,进步显著,尤其控制系统、发电机、变流器、变频器、齿轮箱等关键部件,以及桨叶、主轴、塔架、机舱等基础设施,都具备自主研发和批量生产的能力,这为未来更大容量、高性能的风机组件产业化奠定了基础。
1.2.2 风电发展趋势
纵观近年来国内外风电技术,其未来发展趋势可归纳为以下几个方面。
1.水平轴风机为主流
水平轴风机目前约占95%的市场份额,因其传动轴短、启停容易,尤其对大型风机,在配备良好偏航装置和安装维护条件的情况下,风能转换效率较高;相比之下,垂直轴风机虽能全风向对风,变速机、发电机可以置于地面,但传动轴长,启停和变桨较困难,因而风能转换效率较低,其发展规模受到限制。
2.单机容量扩大
风力发电的主流机型已由10年前的千瓦级发展到目前的兆瓦级,3~6MW风机已陆续在国内外投入运行,并已面向离岸应用开始了10MW机组研制。
3.离岸趋势渐显
欧洲的很多国家由于陆地面积的限制发展近海风场和海上风场,这类离岸风场由于其独特的风特性优势如今受到更多青睐,且相关技术日趋成熟,而美国、中国等国家更是具有丰富的海上风能资源,沿岸风速比陆地风速平均高1/4,且主导风向稳定,有利于减小机组疲劳载荷,延长运行寿命,因此离岸风电将成为未来重要的发展方向之一。
4.新型变桨变速模式
变桨变速风机克服了传统失速、定速风机风能转换效率低的缺陷,能够最大化的实现风能转化,具有载荷控制平稳、安全高效的优点。目前的风机90%以上为变桨变速风机,且比例还在逐步增大。随着容量和叶片体积的增大,为了优化机组载荷而采取的独立变桨技术也得到了重视和研究,即采用独立的电控调桨机构独立地调节各叶片桨距角,实现更合理的载荷分布和控制。
5.双馈主导,直驱引领
双馈风机由于其技术成熟、发电机成本低的优势占据了风电市场的主导地位,如丹麦Vestas、德国Repower等风电巨头均以双馈风机占领市场大部分份额。我国目前新增机组中双馈机型占80%以上,成为大多数风电企业的首选。相比之下,直驱风机虽生产成本较高,但其消除了齿轮箱问题带来的故障隐患,提高了系统运行的可靠性和稳定性,与其相配套的全功率变流技术拓宽了调速范围,具有良好的低电压穿越性能,因此此类风机及其衍生的半直驱风机代表着引领未来发展的重要方向,如德国Enercon、Siemens公司的直驱产品。
6.先进的叶片制造技术
机组容量的增大一般需要更大尺寸的叶片,这首先给设计带来了困难,为了保持叶片平稳无障碍运行,需要减轻重量并增加刚度,以减小疲劳提高工作寿命,采用强化碳纤维替代玻璃纤维及增强树脂是可行性方案之一。风机专用新翼型设计也得到广泛研究,以改善叶片气动性能。
同时,叶片增大给运输带来了困难,为此有厂商致力于分段叶片的研发,则研发良好的接合技术,基于先进合成材料进行叶片制造成为关键。
7.良好的低压穿越能力
风电规模的迅速扩大使其与电网的耦合程度加深,电网故障造成风机自保护而引起的脱网将严重影响电力系统稳定性,因此要求机组在电网故障出现电压跌落的情况下不脱网运行(即所谓低压穿越,LV RT),在故障排除时恢复正常运行状态。这就对风电机组的电网友好性能提出了更高要求。
8.并网与离网互补运行
风电并网是主导趋势,但在某些特殊区域,如一些孤岛、偏僻及人员稀少的地域,电网规模小,离网型风电系统更加适用。
9.风场建设和运行维护技术
风场建设包括选址、评估、基础建设、机组安装、后期维护等多方面高质量要求,目前已有对应的成熟商业软/硬件实现方案。未来将重点发展大规模多能源协同运行下的优化控制技术,降低风场建设及后期的运行维护成本,提高发电质量和稳定性。
1.3 风电技术的研究内容
1.3.1 基本问题及研究内容
风电技术的基本原理:通过空气的流动形成的风来推动叶片转动,产生机械能,进而利用发电机将机械能转换为电能。因此,典型的风机主要包括叶轮和发电机两大主体,前者将风能转换为机械能,后者将机械能转换为电能。当然,实际运行还有一系列附属组件,包括叶片、机舱、齿轮箱、塔架、基座、控制系统、监测系统、辅助缆线等,各部件之间只有良好协调配合才能保证在风机允许的风速范围内实现安全的“启动—运行—停机”,高效地产出电能。
理论上,风机可实现风能到机械能最高59.3%的转换(称为Betz极限,后续章节将详述),实际运行中,由于控制策略、运行损耗等多种因素影响,输出电能的转换率在20%~50%之间。这一方面要求有良好的最大功率跟踪控制策略和运行状态,以增大相对的投入产出比率,另一方面要求系统具有稳定可靠的运行性能,以减少后期维护投入。例如,采用永磁同步直驱发电机可以优化输出功率、减小齿轮箱故障,但其体积、质量、成本都将大于现有双馈感应发电机;采用MW级大型机组可以提高发电量,但其运输、吊装、维护成本也会随之提高。因此,根据风况设计和优化整体策略,是风场建设和实施的一项重要步骤。
至此,可将风电技术的基本问题概括为:高效、稳定、安全、低成本地实现风能转化和友好并网。可见,风电是一项综合性、集成性较高的技术,涉及材料学、工程力学、空气动力学、电机学、机械技术、电力电子技术、自动控制技术等多领域交叉学科。而且,作为动力源的风本身具有的随机性和不连续性的特点,决定了风机载荷的多变性和运行工况的复杂性。因此,从系统原理与控制角度,归纳出以下几项主要研究内容。
1.动力学与建模
动力学与建模对于风机是紧密相连的两个问题:通过对机组各部件动力学特性进行分析,选择合理的建模策略,进而通过合理的建模准确描述系统在各种工况下的动力学行为。由于风能的不稳定性决定了对设计的机组需要进行计算、模拟和验证,特别是大容量风机的载荷计算与振动性能分析是决定整机特性的关键,同时风电系统的可靠运行需要合理精确的模型分析。因此进行动力学研究与建模是风电系统设计和优化的关键和基础。一般风机的动力学主要指空气动力学及结构动力学。
空气动力学的研究主要面向风能吸收问题,以叶片、叶轮作为研究对象,基于叶速理论及圆盘理论,研究湍流特性、叶片几何特性、动态入流特性,分析翼型的升力和阻力,进行气动载荷计算;对极端气候条件下的风机响应特性进行评估,分析特征模态和动态特性。从而研究如何在多种工况条件下优化风机动力学性能。
结构动力学的研究主要面向风机的形变效应问题。由于气动载荷受到叶片振动速度的影响,因此空气动力学与结构动力学之间存在着耦合关系,两者之间通常基于BLADED等载荷计算等途径进行交叉设计和分析。注意到风机的机舱、塔架、叶片等组件非严格刚体,存在弹性变形和相互耦合,因此设计时要考虑整机的运动形态和动力学响应,如基于有限元、多体动力学、模态分析等理论,进行整机运动学、动力学、气动弹性及气动载荷稳定性等方面的研究,从而向大型风机、柔性组件、结构优化的方向发展。
2.发电机设计
发电机是风力发电系统中重要的能量转换部件,因此研制和选用运行可靠、效率高、控制且供电性能良好的发电机是风机系统设计的一个重要内容。风力发电中主要的发电机类型为:异步发电机、双馈异步发电机和同步发电机。恒速恒频发电系统中,多采用笼型异步发电机,变速恒频发电系统多采用双馈异步发电机和同步发电机。目前,世界上风能转换正由恒速恒频向变速恒频系统过渡,变速恒频系统的主要优点为机组在各种风速下可获得最大能量转换,延长风电机组寿命。对于恒速恒频系统而言,当风速突然变化时,巨大的风能将通过叶片传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件,产生很多的机械应力,造成上述部件的疲劳损耗。因此,下面将着重分析用于变速恒频系统中的双馈异步发电机和同步发电机的特点。
(1)双馈异步发电机。双馈异步发电机起源于绕线式转子异步发电机,这种结构的发电机是通过对其转差频率的控制,来实现发电机的双馈调速。风速的变化通过增速齿轮箱传递到发电机,使得发电机的转子转速发生变化,为保持定子电流频率的恒定,可以控制转子电流的频率,这由变频器来控制,且所需变频器的功率较小,一般为发电机额定输出功率的1/3。在加入体积庞大的增速齿轮箱后,双馈异步发电机的转子转速一般可达到1000~1500r/min。运行经验表明,齿轮箱的存在,增加了系统的总成本,并且齿轮箱噪声大、故障率较高、维护量大、可靠性低,同时由于其能量损失,也降低了能量转换的效率。
(2)同步发电机。同步发电机有电励磁同步发电机和永磁同步发电机两种,永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁电源,取消了容易出故障的集电环和电刷装置,不存在励磁绕组的铜耗,比同容量的电励磁式的发电机效率高,结构简单,运行可靠。但同时永磁发电机也存在体积大、磁场难以调节、变流器容量大、成本高等缺点。
风力发电系统要求发电机高质量地将风能转化为频率、电压恒定的交流电;高效率地实现机电能量转换,以降低每度电成本;稳定、可靠地同电网等其他发电装置联合运行,并提供稳定的电能。近年来,采用新型发电机以变速恒频的方式运行,提高风力发电机组的输出功率成为风电系统研究的热点。风电系统中的发电机向高可靠性、低维护量、少组件、低成本、高效率、高集成度的方向发展。但无论是哪种形式的发电机,其设计过程中需综合考虑的要素都包括:电磁设计、冷却设计、结构设计、绝缘设计及控制系统设计。只是不同形式的发电机设计侧重点不同。
3.控制技术
作为风电系统运转的中枢,机组的控制技术是保证整个机组正常、安全、高效运行的基础。一般认为风电机组由空气动力学系统、发电机系统、变流系统及其附属结构组成;电控系统(总体控制)由变桨控制、偏航控制、变流控制等主模块组成,此外还有通信、监控、健康管理等辅助模块。各种控制及测量信号在机组本体系统与电控系统之间交互。下面将对此控制技术做进一步阐述。
1.3.2 风电系统的控制技术
1.系统分层结构
根据风电系统各模块所处的位置及功能不同,可将整个系统分为三层以便研究和分析,即动力学层、控制层、监测层,如图1.2所示。
图1.2 风电系统三层结构示意图
1)动力学层
动力学层为最低层。风机动力学包含外部环境和本体动力学两大部分。前者包括时变的风、浪涌(离岸风机)、地基土壤等因素,是进行精确载荷分析和计算所必须考虑的;后者包括机舱动力学、底层结构动力学、地基结构动力学等,其中机舱是最为复杂的部分,包含风轮、驱动链、发电机、变流器等非线性但却直接相关风能转换效能的组件。
2)控制层
控制层为中间层。其中,欠载荷(Partial load)时执行MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制,即风速小于额定风速时,控制目标为最大风能追踪,通过转矩控制调节风轮转速,从而保持最佳叶尖速比,实现最大风能转化。满载荷(Full load)时执行变桨控制,即风速大于额定风速时,主要通过变桨距限制风能吸收,使输出功率维持在额定功率。此外还有其他辅助控制措施,即为实现上述MPPT和变桨而采取的转矩/转速控制、矢量控制、DC-bus/chopper控制,以及为自动对风采取的偏航控制、为并入电网采取的并网控制等。
3)监测层
监测层为最上层。本层对于保证高效安全的控制至关重要,系统状态、测量、控制命令及限制条件等信息在本层和控制层间传递。进一步地,可将本层划分为三个模块,模块1包括疲劳载荷、极限载荷及故障诊断;模块2为健康管理模块,包括载荷评估和容错机制;模块3为自维持体系(Sustainable Architecture),在监测层中充当“大脑”的角色,协调整个系统更安全高效地工作。
2.桨距控制方式
桨距控制的实质是功率控制。根据功率控制对应的风轮特性不同,可划分为被动控制和主动控制两类。
1)被动控制
“被动失速控制”是最基本的功率控制方式。通过设计特殊的叶片几何形状,使得风电机组在期望的风速下达到最大(额定)功率。该方式易受到不确定的气动因素影响,导致在额定或更高风速时对功率等级和叶片载荷的估计失误。
“被动变桨距控制”是一种新颖的被动功率控制方式。通过设计叶片或叶片轮毂,使其高风速时在叶片载荷作用下被动扭转,获得所需的桨距角。该方式由于叶片扭转量与载荷匹配存在难度,使其难以在并网风机中得到应用。
2)主动控制
“主动变桨距控制”是最常见的变桨距控制方式。在大于额定风速时,通过调整全部叶片(统一变桨距)或各个独立叶片(独立变桨距),减小攻角从而限制功率吸收。为了限制瞬时风能造成的脉动功率影响,通常要求快速而精确动作,这就是研究变桨距控制的主要目的。
“主动失速控制”是将被动失速和主动变桨距相结合的技术。低风速时等同于变桨距调节,高于额定风速时将叶片调向失速模式。与主动变桨距控制相比,其对桨距执行机构的调节幅度和速度的要求较低。
3.发电机/变流器控制方式
感应双馈异步发电机和永磁直驱同步发电机是两类主要的风力发电机。前者定子连接电网,转子连接变流器,无需大功率变流装置;后者无齿轮箱,低转速直接驱动,但需要大功率变流装置。
1)发电机控制方式
矢量控制是风力发电机的经典控制方式,此外还有直接转矩控制、复合控制等,并在此基础上衍生出一系列改进的控制技术。例如,基于无速度(位置)传感器的矢量控制技术和基于多重化滑模观测器的矢量控制技术,通过设计观测器来估计转子位置或速度,将估计与控制相结合以改善功率控制精度,但实时性和抗干扰性偏低。类似的还有基于矢量控制的有功无功解耦控制;通过发电机的输入/输出线性化模型减弱了对发电机参数的依赖性,获得更快的动态响应及更好的动态解耦性能。
2)变流器控制方式
采用双PWM变流控制是最常见的方式,可实现能量的双向流动和单位功率传输,其中PWM整流器多采用直接电流控制。例如,从变流器角度提出的最大转矩电流比控制,以降低对变流器容量的要求;针对变流器并联运行控制问题研究各模块的监控及模块之间的数据通信和数据处理,使得各模块的输出电压和电流保持严格同步;交错三相单管Boost型三相PFC整流器电路拓扑结构及相应调制方法,对三相电路进行DCM模式操作,降低控制成本且易实现模块化。
4.机组控制算法综述
从机组控制器设计层面上,可将控制算法总体分为两类,这些方法依据具体的风机动力学特性,有针对地应用至变桨、偏航、变流控制系统中。
1)经典控制算法
PID控制器原理简单,且当前多种工业PLC控制器(如SIEMENS S7-300)集成了PID功能模块,实现方便,在控制领域得到广泛采用。风电机组中采用PI或PID控制器需要注意两点:其一,采取“积分器退饱和”措施防止积分器失效;其二,将PI或PID与现代控制算法结合,构成复合PID控制(如模糊PID、神经网络PID、自适应PID等),以弥补经典PID的不足,实现更优控制效果。此外,一些算法基于风力最佳工作点的线性化模型,实现风速、转速、电功率反馈控制,适合于工作环境慢变、不确定性及干扰性较弱的风电系统控制。
2)现代控制算法
风电机组的现代控制算法包括最优控制、鲁棒H∞控制、滑模变结构控制、非线性自适应控制及智能控制等。
利用鲁棒H∞控制算法可以解决风电系统建模不确定性及随机风扰动问题,获得良好的鲁棒性和稳定性;基于LMI方法的多变量线性时变控制器可在考虑负载状况的条件下实现全风速区域的变桨控制;将几何方法与滑模方法相结合,设计风电系统的多输入多输出抗扰控制器,可实现转矩控制和最大化风能利用的控制目标。
非线性智能控制算法是现代控制算法中受到广泛关注的一类。该类算法直接针对风电的复杂快变非线性动力学,利用变结构、自寻优、动态补偿等功能克服系统参数不确定性及非线性时变因素,实现高速高精度的控制目的。
模糊控制算法将专家经验和知识表示为语言规则用于控制,它针对风电系统的非线性和随机性,在转速跟踪和功率控制方面具有较强鲁棒性。但需注意,该方法依赖于知识规则,自适应能力不高,易造成精度下降。神经网络在学习规则方面与模糊控制类似,还可以充分利用观测数据预测风速,在线学习并修正风能特性曲线,建立综合的神经网络自适应控制模型;支持向量机(SVM)技术也在风能预测与自适应控制方面有所应用。有学者设计了分段切换的多模变桨控制器,优化了系统控制效果,保证了稳定的功率输出;有研究基于Lyapunov函数设计非线性自适应控制器,实现风力发电机的全程速度跟踪,保证了闭环系统控制的快速性和稳定性。此外,基于记忆推理的变桨距风机控制算法,无需精确的系统动力学信息,通过已有的系统响应和控制先验知识进行记忆推理,提高了桨距控制的稳定性、精确性和适应性,将在后续章节中详述。
综上具有代表性的风机控制算法可见:由于风电机组属于复杂非线性动力学系统,其应用地域广阔、环境复杂、不确定性强,目前尚未有集所有优点于一体的控制算法。设计高性能的风机控制策略需针对具体风能环境,兼顾控制成本和控制目的,最大程度地量化控制指标,实现多目标优化设计。
5.风电机组控制技术展望
在现有技术条件下,为实现更加高效、可靠、稳定地利用风能,根据上述研究现状,可将风电控制技术归纳为“混合驱动模式”、“载荷评估控制”、“自主容错控制”、“自维持运行机制”4个发展趋势。
1)混合驱动模式
“电动”、“液压”是变桨控制执行机构的两种常见类型。电动变桨控制清洁环保,无液体泄漏且耐低温能力强;液压变桨控制则在速度和可靠性方面优势明显,且无需担心电池电容故障。目前,有些风电设备制造商开始着眼于“混合驱动”方案,即电动驱动桨叶,液压驱动叶轮安全装置,以同时避免液体泄漏和电池动力保障问题。
“双馈”、“直驱”是两种常见的风力发电机类型。考虑到双馈发电机中的齿轮箱是兆瓦级风机中高过载率和高故障率的部件,近年来部分研究机构转向研发无齿轮永磁直驱发电模式,甚至“半直驱”模式。“半直驱”技术机组采用了相对可靠的一级行星齿轮和适当的增速比,一级行星齿轮与发电机集成在一起,构成了发电机单元。随着永磁体及变流成本降低及安全可靠性提高,“直驱”及“半直驱”将成为研发和生产热点。
2)载荷评估控制
机组载荷是风电系统的重要参数,而控制系统的执行过程会对载荷产生一定影响(如变桨距控制与塔架振动的相互作用)。设计高性能控制器需同时考虑此类影响因素,在保证控制指标同时防止控制动作导致的过载,减少载荷波动。为此有必要进行载荷评估控制,对控制器设计目标和载荷影响进行折中后设计机组控制方案。
3)自主容错控制
针对复杂快变系统的安全、可靠运行问题,基于容错控制理论设计先进的风机控制策略至关重要。一方面,基于先进的检测通信技术“收集”风机特征数据(核心特征);另一方面,设计“核心—极限”双重容错控制方案,有效处理多类系统故障,保证鲁棒性和自适应性,实现全局可靠容错控制。
4)自维持运行机制
为保证未来机组的快速扩容及海上风电应用,构建更加自主、可靠的控制运行机制,实现机组“自维持(Self-sustainable)”运行是重要思路之一。例如,美国IMS中心提出的智能维护概念,利用故障诊断与健康管理技术,通过自维持评判体系“感知”健康状况,结合自主容错技术“防范”控制风机故障,从根本上保证风机系统的自主和可靠运行。
由此,风电控制技术的研发将立足于三个方面:
(1)对未建模因素及不确定扰动的鲁棒性(结合参数辨识、风能预测综合设计控制策略)。
(2)控制系统的容错性和自主性(应对复杂动力学模型的参数快变、多模式控制切换等)。
(3)控制策略的可行性(针对具体风机类型,权衡控制成本及控制性能,建立仿真评估体系)。