五、控制技术

风能是一类清洁无污染的可再生能源，是目前最具大规模开发利用前景的能源。但由于风能本身存在随机性、间歇性的特点,发电质量受风速、风向变化和外界干扰的影响很大，而且，风力发电机组通常设在风能丰富的地区，如边远地区，海岛甚至海上, 要求能够无人值班运行和远程监控，这对发电机组的控制系统可靠性要求很高。所以，控制技术是风力发电的最关键技术之一。

1.最优控制

最优控制是寻求使得动态系统的性能指标达到最优的控制，是现代控制理论的一个重要组成部分。风力发电系统所应用的控制方法中，最优控制技术应用最早，相对比较成熟。但由于风力发电系统的本质非线性，自然风风速和风向的随机性以及风机的尾流效应，不确定因素很多，而最优控制的实现必须有一个精确数学模型为控制器设计基础，这对风力发电系统未免要求过高，将最优控制策略与其它控制方法，如与模糊逻辑控制、 鲁棒控制方法结合起来的混合控制技术，可有效解决风力发电系统的各类关键控制问题：提高风能转换效率、改善电能品质、减小柔性风电系统传动链上的疲劳负载等。

2.滑模控制

滑模变结构控制本质上是一种不连续的开关型控制，这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。滑模控制具有快速响应、对系统参数变化及扰动不敏感、无需系统在线辨识、设计简单和易于实现等优良特性。采用滑模控制使风力发电机始终工作在滑动面上，减少其牵引过程，可使系统在整个动态过程中对参数摄动和负荷扰动具有很强的鲁棒性。此外，将滑动模控制应用于风电机组的并网控制器中，可实现低速下的可靠发电控制。当风中的有效功率较低时，风力机工作于正常与失速两种模态。滑动模控制存在切换抖动，会对风力机械设备造成冲击。以力矩为控制信号，采用积分型滑动模控制律，能有效地解决滑动模的切换抖动。

3.自适应控制

自适应控制的目标是自动补偿在模型阶次、参数和输入信号方面非预知的变化。自适应控制系统需要不断进行系统结构，和参数的辨识或系统性能的指标的度量，以便得到系统当前状态的改变情况，按一定的规律确定当前的控制策略，在线修改控制器的参数或可调系统的输入信号。自适应控制器用以改善风力发电机组在较大运行范围中功率系数的衰减特性。在自适应控制器中，通过测量系统的输入输出值，实时估计出控制过程中的参数，因此控制器中的增益是可调节的。超前自适应控制方法控制风力发电机转子电压和齿轮箱的静态增益，在负载与风速变化时,控制方法具有可靠快速响应和有限的最大跟踪误差。非线性自适应控制理论对风机实行变速控制，在不增加风能系统机械复杂性的条件下，自动调整发电机励磁绕组电压，此控制方法可在获得平稳渐进的转子速度跟踪的基础上达到最大风能捕获的目的。文献[8]提出了一种应用于变速风力涡轮控制系统中的自适应控制策略。由于涡轮转矩是时变非定常的，自适应控制律用来提供涡轮转矩的估计值。同时，还设计了一种自适应反馈线性化控制器，以保证整个风力涡轮控制系统线性化。仿真结果表明，无论风力状况如何变化,该控制器都能确保获得最大风能，控制方法行之有效。

除了以上三种控制方法外，还有很多的控制方法在不断的应用到风力发电中，但是每种控制方式都有一定的缺点。采用两种或多种先进控制方法的混合控制,如模糊自适应控制、自适应鲁棒控制、PID 神经网络控制等，将是今后风电系统的控制研究方向。

六、结论

开发风力资源，电力电子器件的应用和先进的控制技术是关键。将最新的电力电子技术、控制技术应用于风力发电系统中，提高风力发电的效率和电力变换质量、降低风电的成本，使得清洁可再生能源逐步替代传统的化石燃料，以改善人类生存的环境，提高人们的生活水平，具有重大的经济效益和社会价值。

参考文献 ：

[1] 电力电子技术在风力发电中的应用综述，王琦，陈小虎，吴正伟，南京师范大学学报(工程技术版) 第5卷第4期，2005.12，8-10。

[2] 风力发电系统中逆变器的研究，宋平岗，赵莉，电力电子技术，1999年第2期，1999.4，18-19。

[3] 可再生能源中的控制与电力电子技术，吴 捷，杨金明，杨俊华。

[4] 独立运行风力发电系统功率控制器的研究与设计，赵强,应用电源技术 2006年第1期(总第97期)36-40。

[5] 基于MUC 的独立运行风力发电系统研究，高平1，汪泰宇1，王辉2,陕西电力，第34卷第2期，2006.9。

[6] 超导储能改善并网风电场稳定性的研究，吴俊玲等2004，23(03);59-61。

[7] 超导储能单元在并网型风力发电系统的应用，陈星莺，刘孟觉，单渊达，第 21 卷第 12 期 63-66，2001 年12月，中国电机工程学报。

[8] 自适应控制在变速风力发电系统中的应用，钱 坤，谢寿生，高梅艳，控制工程，2004年1月，第11卷第1期，76-78。