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控制技术

风能是一类清洁无污染的可再生能源，是目前**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**关键技术之一。

1.**控制

**控制是寻求使得动态系统的性能指标达到**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，**控制技术应用**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**控制的实现必须有一个**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**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**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。**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**响应和有限的**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**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**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**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**的控制技术是关键。将**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。从电网运行的现实及大规模开发风电的长远利益考虑，提高风电场输出功率的可控性，是目前风力发电技 术的重要发展方向。把风力发电技术引入储能系统，能有效地抑制风电功率波动，平滑输出电压，提高电能质量，是保证风力发电并网运行、促进风能利用的关键技术和主流方式。

随着电力电子学、材料学等学科的发展，高效率飞轮储能、新型电池储能、超导储能和超级电容器储能等中小规模储能技术取得了长足的进步， 拓宽了储能技术的应用领域， 特别是在风力发电中起到了重要作用。 储能系统一般由两大部分组成： 由储能元件(部件)组成的储能装置和由电力电子器件组成的功率转换系统(PCS)。储能装置主要实现能量的储存和释放;PCS 主要实现充放电控制、功率调节和控制等功能。

1 储能技术的分类和特性

储能技术有物理储能、电磁储能、电化学储能和相变储能等 4 类。物理储能主要有飞轮储能、抽水蓄能和压缩空气储能方式; 电磁储能主要有超导储能方式;电化学储能主要有蓄电池储能、超级电容器储能和燃 料电池储能; 相变储能主要有冰蓄冷储能等[1]，[2]。

1.1 飞轮储能系统

飞轮储能(FESS)是一种机械储能方式，其基本原理是将电能转换成飞轮运动的动能， 并长期蓄存起来， 需要时再将飞轮运动的动能转换成电能，供电力用户使用。

高强度碳素纤维和玻璃纤维材料、大功率电力电子变流技术、电磁和超导磁悬浮轴承技术促进了储能飞轮 的发展。飞轮储能的功率密度大于 5 kW/kg， 能量密度超过 20 kWh/kg， 效率大于 90%，循环使用寿命长 达 20 a，工作温区为-40~50 ℃，无噪声，无污染，维护简单，可连续工作。若通过积木式组合后，飞轮 储能可以达到 MW 级，输出持续时间为数分钟乃至数小时。飞轮储能主要用于不间断电源(UPS)/应急电源 (EPS)、电网调峰和频率控制，国外不少科研机构已将储能飞轮引入风力发电系统[3]。

文献[4]利用飞轮储能电池取代传统的柴油发电机和蓄电池来充当孤岛型风力发电系统中的电能调节器和储存器， 建立了系统的电流前馈控制数学模型，实验结果表明，这一方法能有效地改善电能质量， 解决 风力发电机的输出功率与负载吸收的功率相匹配的问题。

美国的 Vista 公司将飞轮引入到风力发电系统， 实现全程调峰， 飞轮机组的发电功率为 300kW，大容量 储能飞轮的储能为 277 kWh，风力发电系统的电能输出性能及经济性能良好。

中国科学院电工研究所已经研制出飞轮储能用高速电机; 华北电力大学研制出储能 2 MJ、**高发电功率 10 kW 的准磁悬浮飞轮储能装置。

飞轮储能技术正在向大型机发展， 其难点主要集中在转子强度设计、低功耗磁轴承、安全防护等方面。超导储能系统

超导储能系统(SMES)利用由超导线制成的线圈，将电网供电励磁产生的磁场能量储存起来，需要时再将储存的能量送回电网。

超导储能技术的优点： ①可以长期无损耗储存能量， 能量返回效率很高; ②能量的释放速度快，功率输 送时无需能源形式的转换，响应速度快(ms 级)， 转换效率高(>96%)， 比容量(1～10kWh/kg) 和比功率(104~105 kW/kg) 大; ③采用 SMES 可调节电网电压、频率、有功和无功功率，可实现与电力系统 的实时大容量能量交换和功率补偿。 20 世纪 90 年代， 在 超导储能技术已被应用于风力发电系统[5]， [6]， [7]。

中国科学院电工研究所已研制出 1 MJ/0.5MW 的高温超导储能装置。清华大学、华中科技大学、华北电力 大学等都在开展超导储能装置的研究。

文献[5]采用电压偏差作为 SMES 有功控制信号，在改善风电场稳定性方面具有优良的性能。

SMES 的发展重点：基于高温超导涂层导体，研发适于液氮温区运行的 MJ 级系统;解决高场磁体绕组力 学支撑问题;与柔性输电技术相结合，进一步降低投资和运行成本; 结合实际系统探讨分布式 SMES 及其有效控制和保护策略。

1.3 蓄电池储能技术

蓄电池储能系统(Battery Energy Storage System，BESS)主要是利用电池正负极的氧化还原反应进行充放电，一般由电池、直—交逆变器、控制装置和辅助设备(安全、环境保护设备)等组成。目前， 蓄电池 储能系统在小型分布式发电中应用**为广泛。根据所使用化学物质的不同，蓄电池可以分为铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、钠硫(NaS)电池、液流电池等[8]，[9]。

(1)铅酸电池

铅酸电池应用在储能方面的历史较早， 技术较为成熟，并逐渐以密封型免维护产品为主，目前储能容量已达 20 MW。铅酸电池的能量密度适中，价格便宜，构造成本低，可靠性好，技术成熟，已广泛应用于电力 系统。基于密封阀控型的铅酸电池具有较高的运行可靠性，在环境影响上的劣势已不甚明显， 但运行数 年之后的报废电池的无害化处理和不能深度放电的问题， 使其应用受到一定限制。

(2)镍氢电池

与铅酸电池相比， 作为碱性电池的镍氢电池具有容量大、 结构坚固、 充放循环次数多的特点， 但价格较高。 镍氢电池是密封免维护电池， 不含铅、铬、汞等有毒物质，正常使用过程中不会产生任何有害物质。北京 2008 年奥运会使用的混合电动车大都采用镍氢蓄电池作为电源。镍氢电池的自放电速度明显大于镍镉电 池， 需要定期对它进行全充电。须注意的是，镍氢电池只有在小电流放电时才具有 80~90 kWh/kg 的高比 能量输出，在大电流放电高功率输出时， 其能量密度会降至 40kWh/kg 或更低。

(3)锂离子电池

锂离子电池比能量/比功率高、自放电小、环境友好， 但由于工艺和环境温度差异等因素的影响，系统指 标往往达不到单体水平，使用寿命仅是单体电池的几分之一，甚至十几分之一。大容量集成的技术难度和生产维护成本使这种电池在短期内很难在电力系统中规模化应用。

磷酸亚铁锂电池是**有前途的锂电池。 磷酸亚铁锂材料的单位价格不高， 其成本在几种电池材料中是**的，而且对环境无污染。磷酸亚铁锂比其他材料的体积要大，成本低，适合大型储能系统。

(4)钠硫电池

钠硫和液流电池被视为新兴、高效、具广阔发展前景的大容量电力储能电池。目前钠硫和液流电池均已实 现商业化运作，MW 级钠硫和 100kW 级液流电池储能系统己步入试验示范阶段[10]，[11]。

钠硫储能电池是在温度 300 ℃左右充放电的高温型储能电池，负极活性物质为金属钠，正极活性物质为液态硫。

迄今为止， 只有日本京瓷公司成功开发出钠硫储能电池系统。钠硫电池系统在电力系统和负荷侧成功应用 100 余套，总容量超过 100 MW，其中近 2/3 用于平滑负荷。