风力发电变桨技术发展现状及趋势研究综述

风力发电变桨技术发展现状及趋势研究综述

田黄田谢源施铃丽刘浩

田黄田谢源施铃丽刘浩

（上海电机学院）

摘要：风能作为最具商业化前景的可再生能源，正得到大规模的开发和利用，风力发电相关技术也取得了显著的进步，其中变桨技术的发展尤为突出。本文综述了目前风力发电变桨距技术的发展与应用情况，对风力发电系统变桨距所采用的几种方法的特点以及未来风力发电变桨技术的发展趋势进行了较详细深入的介绍，为更好地了解国内外风力发电变桨技术的现状与发展趋势提供参考。

关键词：风能；风力发电；变桨技术

1变桨技术的发展

根据风力机功率调节特性可将风力发电机组分为定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节。

变桨距风力发电机组在额定风速前，风能利用系数更高；高于额定风速时，变桨距风力发电机组输出功率平稳。而定桨距风力发电机组只能依靠叶片自身的特性限制风能的吸收，当风速不断增加时，吸收的风能逐渐减小，利用效率变低。

变桨距控制技术与定桨距控制技术相比，可以根据风速变化自动调节桨距角，尽可能多的吸收风能，目前，在解决了可靠性与稳定性的前提下，大型的风力发电机组一般都采用变桨距控制方式。

2变桨控制技术的研究现状

2.1国外变桨距技术的研究现状

早在20世纪90年代，国外就已经开始对风力发电变桨距控制技术进行研究，主要针对其运行特性和控制策略，生产出一批可靠的风电机组，如今研究重点是如何把一些智能算法应用到风电系统上，使控制效果得到加强。

国外研究人员研究变桨距智能控制器获得很多研究成果。另外，国外一些国家开发一种能够评估测量风力资源以及计算机模拟的系统，能够验证变桨距失速控制的设计理论，它采用了新型风机桨叶材料来研发变速恒频控制系统的风力发电机和低速永磁发电机，使风电的效率得到了很大程度的提高，可靠性也得到加强。

2.2国内变桨距技术的研究现状

我国的风电技术比国际上的风电技术较为滞后，创新能力不足，对变速恒频技术的研究应用处于起步阶段，1986年，第一个风电场在山东省成立，全国上下开始相继从国外购买风电机组来建设风电场，因此装机容量大规模增长。风电行业的不断进步，引发越来越多人力物力投入对变桨距系统的研究，国内的整机先进者如华锐风电、湘电风能等正在朝着世界级先进水平挑战。

另外我国的一些大学和研究所等也开始了对风电方向的研究：清华大学主要研究设计双馈异步风力发电机；沈阳大学也已经建立了风电研究场；华北电力大学把控制系统以及并网技术作为他的主要研究方向；重庆的一所大学致力于齿轮箱传动的研究，且成果显著；上海交大则是在变桨距控制技术方面比较突出。

3变桨控制方法

风电机组要求变桨系统具有较高的可靠性，为了对变桨距系统进行高效的控制，很多学者将不同的控制方法以及算法用于变桨距系统之中，且取得了较好的控制效果。

3.1PID控制

HuaGeng等通过比较线性与非线性算法在风能转换系统变桨距控制中应用时的结构、性能、实施成本以及优缺点，得出线性控制器结构简单且鲁棒性较好。但由于变桨距控制系统的非线性，PID控制器的增益值并不易于选择，且在风速过高时，无法保证系统操作稳定性以及系统的输出性能，且PID控制器降低了系统的抗干扰能力。

3.2变增益控制

变增益控制根据不同的状态实时更新控制参数，从本质上看它是一种自适应控制，但它不需要对系统进行参数辨识及模型调整。目前，变增益控制已被多次用于非线性系统控制器的设计。李潘等[1]设计了带增益表的PI控制器，在额定风速以上时，根据不同的桨距角设定PI控制器的增益，使得风力机可以平滑的转换工作状态。但要使系统具有好的稳定性和鲁棒性，就要准确地进行工作点选取、控制规律的设计，而这些却取决于丰富的设计经验和大量的仿真，无任何规律可循，因此这种方法存在较大的保守性。

3.3滑模控制

滑模控制是一类不连续的非线性控制方法，控制系统的结构随时间变化，并且系统滑动模态的建立独立于被控对象以及外界扰动。文献[2]通过实验验证了滑模控制可以有效地提高风力机的效率以及稳定性。但滑模控制最大的缺点是其抖振问题，其状态轨迹会在滑模面两侧往返运行而无法准确地沿着滑模面收敛于平衡点，从而影响系统的控制性能。

3.4智能控制

自适应控制和智能控制因其非线性、变结构、总体自寻优等特点被广泛应用于风电机变桨距系统中[3]。智能算法已在变桨距系统中得到了广泛应用，但绝大多数还处于仿真验证阶段，并且神经网络控制方法对系统进行控制的过程中会存在过学习以及过拟合问题，而模糊控制的模糊规则的制定也主要靠经验和调试，缺乏具体的设定规律，并且规则一旦设定，则无法实时根据系统的运行工况进行在线调整，因此将智能控制应用于实际风电系统中还有很多工作要做。

3.5鲁棒控制

鲁棒控制要求对不确定性误差范围内的所有对象均能满足性能指标要求。文献[4]基于线性矩阵不等式设计了一个多目标鲁棒H2/H∞状态反馈变桨距控制器，可以有效平稳风电机组输出功率，实现了H2/H∞的鲁棒控制性能。

智能控制的发展，推动了变桨控制策略的进步。模糊控制、神经网络控制、自适应控制等都在风电变桨控制中取得了较好的控制效果。目前也有学者将模糊控制、神经网络等控制策略相结合，多种控制方法结合以取得更好的控制效果。

3.6自抗扰控制

自抗扰控制技术（ADRC）是韩京清提出的一种基于误差反馈的非线性控制方法[5]。其中跟踪微分器用于安排过渡过程，通过对控制器参考输入信号进行快速无超调的跟踪，得出参考输入的各阶微分值；扩张状态观测器以及非线性状态误差反馈控制率用于对高阶系统的总扰动进行估计与补偿，并得出控制信号施加于被控对象上。其控制独立于被控对象的精确模型，且可以对系统未建模部分以及未知干扰做出准确地估计与补偿，具有强鲁棒性和可实现性。但需要整定的参数过多，且参数的整定无规律可循，需要依靠大量的专家经验，难以得到满意的非线性函数。

4结语和展望

风电可再生，且清洁无污染，对保护环境、改善能源结构具有重要意义。在地球温室效应日益严重及全球性能源危机的今天，应加大力度投资，加快研究、设计和生产步伐，促进风电事业的快速发展。本文主要论述了国内外风电变桨技术最新的发展现状和研究进展，对比验证了变桨距相比较定桨距有突出的优势，并重点论述了目前主流的几种变桨控制方法。

未来的变桨依然会以变桨距为主，多种控制方法共同发展。且各种优化算法也会应用到各种控制方法中，使得控制效果越来越接近理想的输出。本文有助于对风电变桨技术的发展全面了解和深入掌握，对风电变桨技术的发展提供可靠的理论依据。

参考文献：

[1]李潘，陈林．基于变增益的风力机变桨距控制研究[J]．电子设计工程，2013，21（16）：141-143

[2]田勇，张宏立，等．基于滑模变结构的风力机变桨距控制研究[J]．华东电力，2011，39（9）：1438-1442

[3]秦斌，姜学想等．基于SVM的永磁直驱风电系统滑模变桨距控制[J]．仪器仪表学报，2014，35（7）：1525-1531

[4]刘颖明，朱江生，等.基于H2/H∞混合优化的大型风电机组变桨距鲁棒控制技术研究[J].太阳能学报，2015，（03）：714-719

[5]韩京清．自抗扰控制技术[J]．前沿科学，2007，1（1）：24-31

作者简介：

田黄田（1987-），男，汉，安徽，硕士，研究生，上海电机学院，电气工程，201306。