信息化控制技术在风力发电控制系统中的研究

信息化控制技术在风力发电控制系统中的研究

蒋炳林 喻平 沙鹏飞

中国电建集团重庆工程有限公司，重庆市 南岸区 400060

摘要：分布式风力发电系统成为解决能源挑战的一项关键技术。同时，智能化电网的发展也为实现更高效、可靠的电力系统提供了新的方向。因此，进行智能化电网与分布式风力发电系统信息化控制研究具有十分重要的现实意义。

关键词：信息化；控制技术；风力发电；系统措施

1 研究背景

信息化控制的定义和目标。信息化控制是指在复杂的电力系统中，通过多个相互协作的分布式风力发电系统和智能化电网组件之间的信息交流和协同操作，以实现系统的高效、可靠和可持续运行的一种控制策略。其主要目标是最大化能源生产、分配和利用，同时确保电力系统的稳定性和安全性。信息化控制强调各个子系统之间的紧密协作，以更好地适应可再生能源的波动性、电力需求的变化以及应对突发情况的能力。在信息化控制中，分布式风力发电系统和智能化电网组件之间通过实时数据传输和通信网络实现信息共享，这包括风力发电机组的输出、电力需求、电池储能状态等关键信息。信息化控制算法利用这些数据基于预测模型和优化算法来动态调整风力发电系统的运行参数，如风机叶片角度、发电机输出等，以优化能源生产和分配，同时确保电力质量和系统稳定性。信息化控制还能够自动识别和响应电力系统的异常情况，例如电网故障或恶劣天气条件下的风力波动，从而实施应急措施，确保系统的可靠性。

2 信息化控制技术在风力发电控制系统中的研究策略

2.1通信和数据传输

（1）通信系统必须能够实时传输大量的数据，包括分布式风力发电系统的实时性能数据、电力需求信息、电网状态以及各个组件之间的控制指令。这要求通信系统具备足够的带宽和速度，以应对复杂系统的快速响应需求。（2）数据传输的准确性也是信息化控制的重要因素。数据应该准确反映分布式风力发电系统的实际状态，包括风力资源、发电机性能、电池储能状态等。任何数据传输或解释误差都可能导致控制决策的不准确性，从而影响整个系统的运行。（3）通信和数据传输系统需要考虑安全性和隐私问题。在信息化控制中，涉及的数据可能包括敏感信息，如用户电力使用模式、分布式风力发电系统的位置。

2.2控制算法和策略

（1）控制算法必须能够实时处理大量的数据并做出相应的决策。这包括从分布式风力发电系统和电网收集的数据，如风速、风力机状态、电力需求和电力质量信息。算法需要根据这些数据进行复杂的计算和分析，以确定最佳的发电机输出、能源分配方案以及电力系统的运行参数。这要求算法具备高度的计算能力和速度，以满足电力系统的实时响应需求。（2）控制算法需要具备适应性和灵活性，以应对不同的工作条件和系统需求。分布式风力发电系统的工作条件可能因天气、季节和环境而变化，电力需求也会有所不同。（3）信息化控制的策略需要考虑到多个子系统之间的协同操作。这包括分布式风力发电系统之间的协调、与其他分布式能源系统（如太阳能发电系统）的集成，以及与电力网的互动。控制策略需要考虑如何平衡这些不同系统之间的竞争和合作关系，以实现整体性能的最优化。

2.3响应时间和协同决策

（1）信息化控制需要具备快速的响应时间，以适应电力系统的实时变化。例如，风力发电系统可能会受到风速的突然变化或发电机故障等因素的影响，要求控制系统能够迅速识别问题并采取相应的措施，以维持电力系统的稳定性。响应时间的快慢直接关系到电力系统的可靠性和性能。（2）信息化控制需要实现多个系统之间的协同决策。这意味着不仅仅是单个分布式风力发电系统或智能化电网组件的控制策略，还包括不同系统之间的协调和合作。例如，当风力发电系统的风速发生变化时，它需要与电网系统协商电力输出，同时还需要与其他可再生能源系统（如太阳能系统）进行协同调配，以确保电力系统的平衡和稳定。这就需要协同决策过程能够及时、高效地协商和制定最佳策略。

2.4 异步发电机组并网技术

异步发电机是风力发电站的重要组成部分，它属于交流发电机组，在运行过程中主要依靠定子和转子等构件形成感应电流。在异步发电机组的工作过程中，它具有一定的经济性，运行维护费用较低，可以采取不同的方式进行并网操作。

(1）直接并网技术。当电网的相位、频率和时序等要素与异步发电机组相同时，工作人员就可以在转速相近的情况下进行电力系统的连接，由空气开关等进行控制。但是就直接并网技术来说，可能会由于局部电流的冲击导致电压不稳定的现象发生。

(2）降压并网技术。降压并网技术需要在异步发电机与电网系统之间进行电抗器或者电阻等设备的串联，根据电网的相关特性，对电压进行合理的控制，降低并网瞬间产生的电气参数幅值。但是就降压并网技术来说，过程中电气设备可能会消耗一定的功率。

(3）晶闸管软并网技术。晶闸管软并网技术可以在电网系统的三相端安装晶闸管，实现并网自动开关的目的，避免开关磨损等现象的发生，使并网过程更加流畅。但是就晶闸管软并网技术来说，其适用范围较窄，使用时需要对额定电流值范围等进行分析。

2.5同步发电机组并网技术

在风力发电中，同步发电机的定子和转子结构采用三相连接的方式，可以满足空载和负载运行的特性，为风力发电的转换提供相应的保障。在同步发电机组的并网工作中，主要是采用变频装置与发电机并联的方式，通过频率控制，对电压和电流的输出进行监督，使其符合电网系统在技术参数设置上的标准要求。对于同步发电机组来说，它采用的是交流直流循环转换的作业模式，通过风轮转速进行控制，在并网技术的应用中，它的工作频率与电网频率有互相独立的特点，可以避免失步等现象的发生。此外，在同步发电机组并网技术应用中，需要考虑负荷和电流特性，对逆变器和齿轮箱等进行监督控制，注意发电机的散热情况，避免温度过高造成不利的影响。

2.6风电并网技术的运行模式

首先，需要明确风电系统的主要功能是实现风能与电能之间的相互转换，而且还需要满足一定的发电功率要求。通常情况下，风力发电系统都会采用两种运行模式，一种是恒功率控制模式；另一种是恒电压控制模式。在这两种模式下，风力发电机组都会按照要求进行相应的工作，并不会对电网产生任何影响。为了保证系统运行稳定性和可靠性，需要在风电场中设置相应的自动发电装置，并通过控制器对风力发电机组进行有效控制。为了保证风机能够按照要求运行，还需要设置相应的自动保护装置。另外，还需要加强对风电机组中所使用的电力电子设备以及控制装置进行有效保护。

其次，需要明确风力发电机组在整个运行过程中所需要具备的条件。一要保证风机能够按照要求正常工作；二要保证风电场在运行过程中不会对电网产生任何影响；三要保证风电场在运行过程中能够提供可靠、稳定的电能；最后还要保证风电场能够达到相应的发电功率要求。另外还需要对并网运行时所产生的损耗进行有效降低，从而保证风电机组能够正常运行。

2.7加强并网过程中的检测工作

对于风力发电来说，它们具有一定的综合性和复杂性，涉及的技术手段有着不同的特点。由于“孤岛效应”等现象可能会对电网的稳定性和安全性产生不利的影响，在这种情况下，有关部门需要加强对设备及各个阶段的检测工作，选择合理的控制方法。工作人员需要及时发现可能出现的“孤岛现象”，通过被动检测、主动检测和开关检测等不同的检测方式，对电压、频率和电压相位等要素进行数据记录和分析，及时处理可能存在的异常现象，并且制订完善的检测计划，对逆变器等设备进行实时监督，确保频率和振动模式的合理性，加强对“孤岛效应”的有效防范。此外，在“孤岛效应”的检测工作中，可以插入阻抗，提高系统安全性，避免对电网造成影响。一旦发生故障问题，需要第一时间进行切断处理，做好信号方面的控制和反馈，保证并网技术的应用符合电网的要求和标准。

2.8加强并网设计优化

对于风力发电和光伏发电来说，它们受外界环境影响较为严重，可能会由于能源不稳定对电网质量产生影响，为了提前做好这方面的预防工作，有关部门需要做好并网设计优化。首先，在风力发电工作中，可以应用智能技术，通过传感器等设施的应用强化对异常现象的感应，在信号转换下传输到控制室，避免问题的扩大。其次，在并网设计中，应该保证发电系统的独立性，发生故障问题时可以第一时间进行切断处理，降低损失。最后，在并网设计中，需要结合具体情况对发电系统的位置进行设计，包括周围的环境和气候情况等，对涉及的问题进行分析，以降低外界环境的干扰。同时，还需要做好配电系统的设计，注意并网的大致容量。

2.9提升整体效益

对于风能和太阳能来说，它们属于清洁能源，有关部门需要加强相关信息分析，评估能源的转换和使用情况，对并网技术应用中的相关材料进行优化，同时应用循环回收理念，实现资源和能源的再利用，提升风力发电并网技术的整体效益。此外，在光伏系统与风力系统的并网技术应用中，有关部门应该制订完善的管理机制，加大配套设施的检查和优化工作，同时鼓励新能源的市场发展，从电网系统的并网原则和技术标准等方面入手，严格遵循其具体要求。

2.10提高风电机组运行可靠性

1)提高风电机组的质量。目前，我国风力发电技术的应用范围相对较窄，其技术水平还有待进一步提高，在风力发电中，所应用的风电场规模比较小，所以需要对其进行进一步的优化和完善。

2)加强风电机组检测技术。在风电机组运行过程中，需要对其进行科学、合理的管理，这样才能够避免故障出现。因此，需要采用先进的检测技术来对风电机组进行检测，这样才能够提高检测精度和准确度。比如，可以采用先进、科学、有效的控制策略来对风电机组进行管理，这样可以降低故障发生概率。

3)完善风电机组控制系统。在风力机和发电机之间加入变频器可以实现其功率的调节作用，这样可以提高风电系统运行可靠性和稳定性。

具体来说，可以从以下几个方面入手：第一，优化其叶片结构设计；第二，采用新型材料来代替传统材料；第三，采用先进、科学、有效的控制策略来对其进行管理；第四，在对风电机组系统进行改造时，需要合理选择改造方案；第五，建立完善的监测体系来对风电机组系统进行管理。

2.11提高检测精度

在风电系统的运行过程中，需要对风电机组的运行状态进行监测，通过对风电机组运行状态的监测，能够及时掌握风电系统的运行情况，从而采取有效的措施来对其进行控制和管理。随着我国科学技术水平不断提高，先进设备得到了广泛应用，所以在实际工作中需要采用先进技术来提高检测精度。通过采用先进技术可以有效提高检测精度和准确度。

3 信息化控制算法应用

能源预测和调度。（1）能源预测是信息化控制的基础，它要求使用先进的气象数据和风力机性能模型，以预测未来时间段内的风速和风力机发电能力。这包括了短期和中期的能源预测，以便系统可以做出适当的调度决策。准确的风能预测有助于规划电力生产，并降低不确定性，提高电力系统的可预测性。（2）调度算法需要综合考虑多个因素，包括风力发电系统的产能、电力需求、电池储能状态等，以确定最佳的电力分配方案。这涉及权衡能源生产、存储和分配之间的关系，以确保电力系统在不同条件下都能够保持稳定供电。例如，在风力发电系统产生能源过剩时，系统可以选择将多余的能源存储到电池中，以备不时之需。反之，当电力需求较高或风能供给不足时，系统可以释放储能并调整风机输出以满足需求。（3）信息化控制算法还需要考虑能源调度的动态性。电力系统的需求和风能供给可能随时间和季节的变化而变化。因此，算法需要具备实时性，能够不断调整调度策略以适应不同的运行条件。这要求算法能够及时响应新的数据和信息，以保持电力系统的高效运行。

负载管理和分配。（1）负载管理涉及识别和优化电力负载的需求。这包括了对电力需求的实时监测和分析，以了解各个时段和区域的用电情况。负载管理算法可以帮助电力系统识别高峰和低谷负载时段，以便更好地分配能源和优化系统运行。例如，在高负荷时段，系统可以自动调整分布式风力发电系统的输出，以满足电力需求，而在低负荷时段，系统可以将多余的能源存储或分配到其他区域。（2）负载分配算法需要综合考虑多个因素，包括电力需求、电力质量、能源生产能力等，以确定最佳的电力分配策略。这涉及权衡不同区域和用户之间的电力需求，以确保每个区域都能够获得足够的电力供应，同时防止电力浪费。负载分配算法还需要考虑到电力系统的稳定性，以防止过载或电压问题等潜在风险。（3）负载管理和分配算法需要具备实时性，能够根据电力需求的变化和风力发电系统的产能进行动态调整。这意味着算法需要及时响应新的数据和信息，以保持电力系统的平衡和高效运行。这也要求通信和数据传输系统的低延迟，以确保负载管理和分配的实时性。

故障检测和恢复。（1）故障检测涉及实时监测系统的运行状态以及各个组件的性能。这包括对风力发电机组、电池储能系统、电力传输设备等的监测和数据收集。通过分析这些数据，算法可以识别是否存在任何异常或故障情况，如风机叶片损坏、电池容量下降或电网故障等。快速而准确的故障检测有助于防止故障进一步扩大，减少系统停机时间，提高电力系统的可靠性。（2）故障恢复算法需要在检测到故障后采取适当的措施来恢复电力系统的正常运行。这可能包括了自动切换到备用电源、重新规划能源分配、隔离故障组件或通知维修人员进行维修。故障恢复算法需要考虑到不同类型的故障和系统组件之间的关联性，以选择最佳的恢复策略，以最小化系统中断时间。（3）故障检测和恢复算法需要具备实时性和自动化程度，以迅速响应故障情况。算法需要与监测系统和控制系统紧密集成，以实现快速的数据传输和决策执行。

4 结语

随着可再生能源的迅速发展和能源需求的不断增加，智能化电网和分布式风力发电系统已成为能源行业的关键领域。信息化控制被认为是实现电力系统高效、可靠和可持续运行的关键要素之一。

参考文献：

[1]王聪.信息化控制技术在风力发电控制系统中的应用[J].电力系统装备, 2021(16):2.

[2]徐兴朝新天科创新能源技术有限公司.信息化控制技术在风力发电控制系统中的应用[J].大众用电, 2021(4):2.

[3]王贵平.风力发电自动化控制系统中的智能化技术应用研究[J].中文科技期刊数据库(全文版)工程技术, 2022(7):4.