風(fēng)力發(fā)電機組偏航控制策略的設(shè)計

杜楊超

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

引言

風(fēng)力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)的作用是通過偏航電機驅(qū)動偏航齒輪，使風(fēng)輪平面垂直于當(dāng)前風(fēng)向，確保風(fēng)輪最大效率地吸收風(fēng)能。一個合理的偏航控制策略，應(yīng)當(dāng)既能滿足對風(fēng)的要求，又可以保證偏航系統(tǒng)的機械使用壽命。

1 偏航系統(tǒng)組成

風(fēng)力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組整機的重要組成部分，基本硬件組成部分包括偏航軸承、偏航齒輪、偏航驅(qū)動電機、偏航制動器、角度傳感器等。風(fēng)力發(fā)電機組主控系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)速等風(fēng)況信息，控制偏航驅(qū)動電機的運行速度和運行方向，偏航制動器在偏航系統(tǒng)靜止時提供足夠的制動力矩，在偏航系統(tǒng)動作過程中提供必要的阻尼力矩。由于風(fēng)力發(fā)電機組內(nèi)電力傳輸電纜的存在，單方向累積偏航角度達到扭纜極限時，風(fēng)力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)需反方向運行，實現(xiàn)扭纜的解纜動作。

2 偏航控制系統(tǒng)

偏航控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組主控系統(tǒng)的重要組成部分，用來控制偏航系統(tǒng)偏航動作、解纜動作的執(zhí)行?；据斎胄盘柊L(fēng)速、風(fēng)向、機艙位置角度、偏航扭纜角度、制動系統(tǒng)壓力等，輸出信號包括偏航電機控制、偏航制動器控制等。偏航系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有手動控制功能，即忽略機艙位置與風(fēng)向的偏差，人為控制機艙順時針／逆時針（俯視）運行，為人工維護提供便捷。

3 偏航控制策略設(shè)計

偏航控制系統(tǒng)根據(jù)運行模式和運行狀態(tài)，狀態(tài)機分為待機、偏航、解纜、手動四個狀態(tài)。如圖1所示。

圖1 偏航控制狀態(tài)機

風(fēng)力發(fā)電機組基本運行狀態(tài)即為無人值守的自動運行狀態(tài)，“待機狀態(tài)!"偏航狀態(tài)”及這兩個狀態(tài)間的切換是偏航控制策略設(shè)計的關(guān)鍵。如圖2所示。

機艙位置與風(fēng)向采用方位角坐標(biāo)系，正北為0°，兩者偏差計算公式為：

其中N為機艙位置方位角，P為風(fēng)向方位角。

K＞0時，風(fēng)向在機艙左側(cè)位置，偏航系統(tǒng)須逆時針運行；

K＜0時，風(fēng)向在機艙右側(cè)位置，偏航系統(tǒng)須順時針運行。

1）偏航控制策略A。

實時跟隨策略。即機艙位置實時跟隨風(fēng)向的變化。由于風(fēng)向的不穩(wěn)定性，偏航系統(tǒng)須連續(xù)運行，偏航驅(qū)動電機為S1工作制。理論上該控制策略能最大化地保證機艙的對風(fēng)效果，最高效地捕獲風(fēng)能。但對偏航驅(qū)動和偏航制動裝置提出了更高的要求。

2）偏航控制策略B。

偽實時跟隨策略。即機艙位置并不時刻跟隨風(fēng)向的變化，只有當(dāng)｜K｜值超過預(yù)設(shè)值8°后，偏航驅(qū)動才投入運行。該控制策略有效減少了偏航驅(qū)動運行時間，但在風(fēng)況不穩(wěn)定的地區(qū)對偏航系統(tǒng)的設(shè)計壽命仍然有影響。

3）偏航控制策略C。

改進的偽實時跟隨策略。機艙位置不時刻跟隨風(fēng)向的變化，僅當(dāng)小風(fēng)工況（Vwind＜7m／s）K值超過預(yù)設(shè)值16°的持續(xù)時間超過120s，或大風(fēng)工況（Vwind＞7m／s）K 值超過預(yù)設(shè)值8°的持續(xù)此件超過60s后，偏航系統(tǒng)才投入運行。該控制策略通過時間參數(shù)對風(fēng)向變化進行有效濾波，進一步減少了偏航驅(qū)動運行時間。以上所述如圖3所示。

4 偏航控制策略驗證

在山西省某風(fēng)電場3MW風(fēng)力發(fā)電機組上對不同偏航控制策略分別進行驗證，對偏航系統(tǒng)運行時間進行比較：

圖3 改進的偽實時偏航控制策略

如圖4所示，在同一臺3MW風(fēng)力發(fā)電機組上對B、C兩種控制策略進行比較，對比數(shù)據(jù)包括機艙方位角、風(fēng)向方位角和偏航動作狀態(tài)。兩種控制策略分別測試1h。測試結(jié)果表明，在風(fēng)向方位角變化幅值與頻率一致的情況下，采用B控制策略，偏航系統(tǒng)動作34次，累計運行時間15.3min。采用C控制策略，偏航系統(tǒng)動作3次，累計運行時間2.4min。B控制策略各次偏航時間較短，平均時間27s，但動作頻繁；C控制策略單次平均偏航時間48s，但動作頻率有明顯的改進。偏航驅(qū)動傳動裝置在風(fēng)力發(fā)電機組20年設(shè)計壽命中，參考運行壽命為17 520h。采用C控制策略，20年偏航系統(tǒng)累計運行7 008h，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

圖4 偏航控制策略B與C實測數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

通過對不同風(fēng)力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)控制策略進行設(shè)計、比較和驗證，證明改進的偽實時偏航跟隨策略是最合理的偏航控制策略。既可以滿足風(fēng)力發(fā)電機組的對風(fēng)要求，又可以保證偏航系統(tǒng)的機械使用壽命。