風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)技術(shù)分析及應(yīng)用

鄧華森

摘要：風(fēng)力發(fā)電作為可再生清潔能源，能夠?qū)崿F(xiàn)將風(fēng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)化為電能加以利用，在能源替代與節(jié)能減排的低碳電力發(fā)展中扮演重要角色。風(fēng)速具有概率隨機(jī)性和參數(shù)模糊性的多重不確定性特征，需要對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行偏航控制，本文詳細(xì)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了分析，并介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;機(jī)組;偏航;控制技術(shù)

0 引言

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源而越來越受到人們的關(guān)注，作為風(fēng)能利用的主要 形式，風(fēng)力發(fā)電備受矚目。風(fēng)力發(fā)電過程中，風(fēng)向可能會隨時(shí)變化，這就需要對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行偏航控制。偏航控制是在可用風(fēng)速范圍內(nèi)對風(fēng)電機(jī)組自動準(zhǔn)確控制，從而提高風(fēng)能的利用率。目前偏航角度的測量通常采用電位計(jì)的方式進(jìn)行，由于電位計(jì)的本身特性缺陷，以及電位計(jì)輸出的信號極易受到外界的干擾，而且，電位計(jì)的長期使用也可能會使得偏航角度對應(yīng)的信號出現(xiàn)異常，需要對偏航角度的測量方法加以改進(jìn)，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)的控制性能。本文首先分析了風(fēng)力風(fēng)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)和基本原理，之后闡述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具體的偏航控制技術(shù)。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

1.1 海上風(fēng)電概述

當(dāng)下我國正在進(jìn)行能源轉(zhuǎn)型，走綠色發(fā)展道路已經(jīng)成為共識，海上風(fēng)電則是推動這一戰(zhàn)略早日落地的重要力量。對中國來說尤其如此，我國沿海11個(gè)省份的GDP約占全國的一半，總能耗也占全國的一半左右。對于這些地區(qū)而言，海上風(fēng)能資源豐富，新能源電力消納能力強(qiáng)，大力發(fā)展海上風(fēng)電將是加快能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程的重要手段。目前我國海上風(fēng)電開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入了規(guī)模化、商業(yè)化發(fā)展階段。我國海上風(fēng)能資源豐富，根據(jù)全國普查成果，我國5～25米水深、50米高度海上風(fēng)電開發(fā)潛力約2億千瓦;5～50米水深、70米高度海上風(fēng)電開發(fā)潛力約5億千瓦。根據(jù)各省海上風(fēng)電規(guī)劃，全國海上風(fēng)電規(guī)劃總量超過8000萬千瓦，重點(diǎn)布局分布在江蘇、浙江、福建、廣東等省市，行業(yè)開發(fā)前景廣闊。近年來海上風(fēng)電得到了大力發(fā)展，國家出臺了多項(xiàng)政策鼓勵發(fā)展海上風(fēng)電，并走出國門開始與國外共同開發(fā)海上風(fēng)電資源。多項(xiàng)海上風(fēng)電政策的發(fā)布將進(jìn)一步促進(jìn)海上風(fēng)電的建設(shè)與發(fā)展。

2013-2017年，我國海上風(fēng)電機(jī)新增容量和累計(jì)容量呈逐漸擴(kuò)大的趨勢。2017年，新增裝機(jī)319臺，新增裝機(jī)容量達(dá)到116萬千瓦，同比增長96.5%，累計(jì)裝機(jī)達(dá)到279萬千瓦[2]。未來一段時(shí)間，海上風(fēng)電還有望進(jìn)一步提速。這種情況下，要保障我國海上風(fēng)電又快又好地發(fā)展，仍有一些隱憂必須盡快排除。首先是政策環(huán)境需要優(yōu)化，其次是必須強(qiáng)化創(chuàng)新力度，最后是加強(qiáng)對海上風(fēng)電機(jī)組的性能，推動海上風(fēng)電的進(jìn)一步高質(zhì)量發(fā)展。

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)

近年來，傳統(tǒng)能源不僅傳出能源緊缺問題，更由于其污染氣體的排放引發(fā)環(huán)境問題而讓人深惡痛絕。全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型勢在必行，清潔能源正在逐漸取代傳統(tǒng)能源的使用。風(fēng)力發(fā)電作為重要的能源形式，由于其具有節(jié)能減排，取之不盡的特性深受喜愛，未來風(fēng)力發(fā)電發(fā)電在我國的應(yīng)用范圍將會進(jìn)一步擴(kuò)大。對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，包括主軸、多級傳動齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)，主軸、多級傳動齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)依次順接，主軸、多級傳動齒輪箱、發(fā)電機(jī)上均設(shè)有加速度傳感器，加速度傳感器設(shè)有信號線連接頭，信號線連接頭與振動監(jiān)測儀連接，這也是一種可以實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)電廠風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀況的設(shè)備。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航控制技術(shù)

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法

風(fēng)電以其清潔環(huán)保的優(yōu)勢逐漸發(fā)展成目前被廣泛認(rèn)可的可再生能源，然而一些因素也制約了風(fēng)電能源的使用和推廣，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)水平是需要解決的問題之一。對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法，其包括以下步驟：步驟一是通過本地或遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)，獲取預(yù)估的風(fēng)況特征值和風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)初始值;步驟二是根據(jù)預(yù)估的風(fēng)況特征值、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)初始值和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制參數(shù)，計(jì)算各時(shí)間點(diǎn)的風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)值;步驟三是將步驟二的風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)值與風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)安全閥值進(jìn)行比較;步驟四是采取降低吸收功率系數(shù)和提高功率輸出的方法，得到修正的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制參數(shù);步驟五是將滿足設(shè)計(jì)安全閥值的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制參數(shù)，作為最終風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的執(zhí)行參數(shù)。采用這種方法提高了風(fēng)電機(jī)組響應(yīng)速度，避免停機(jī)帶來的能量損耗和機(jī)械載荷。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航控制系統(tǒng)

風(fēng)電目前的技術(shù)較為成熟，應(yīng)用也較為廣泛，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航控制系統(tǒng)中，需要測量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航角度。對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航角度的測量方法和裝置，該方法需要獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航過程中偏航軸承齒輪帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)同步輸出的至少兩路脈沖信號。根據(jù)該至少兩路脈沖信號的周期特性，確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航方向。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航方向和該至少兩路脈沖信號的脈沖數(shù)統(tǒng)計(jì)，確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航角度。采用這種方法，從而可以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航角度的測量精度。

同時(shí)對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)被動式偏航制動系統(tǒng)，包括偏航制動器、偏航齒圈和機(jī)艙主結(jié)構(gòu)，其特征在于偏航制動器通過高強(qiáng)度螺栓連接在機(jī)艙主結(jié)構(gòu)上，且高強(qiáng)度連接螺栓孔分布為直線型;機(jī)艙主結(jié)構(gòu)與偏航齒圈之間裝有上摩擦片，上摩擦片支承整個(gè)機(jī)艙和風(fēng)輪質(zhì)量，并提供一部分摩擦制動力矩。偏航制動器的卡鉗體與偏航齒圈之間分別裝有徑向摩擦片和下摩擦片組件，徑向摩擦片與偏航齒圈耦合并起到徑向彈性支承作用。下摩擦片組件由下摩擦片、碟形彈簧組件和預(yù)緊機(jī)構(gòu)組成，下摩擦片下面通過碟形彈簧組件連接預(yù)緊機(jī)構(gòu)，由預(yù)緊機(jī)構(gòu)的螺母來調(diào)節(jié)碟簧組件使下下摩擦片產(chǎn)生對偏航齒圈下表面的壓緊力，與偏航齒圈下表面一起產(chǎn)生摩擦制動力矩。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用

能源是人類社會賴以生存發(fā)展的資源之一。由于全球能源形勢日益嚴(yán)峻，各國都意識到能源在未來的發(fā)展競爭中將發(fā)揮日益重要的作用，紛紛加入到開發(fā)利用新能源的行列中。風(fēng)光等新能源的出現(xiàn)可以有效降低對傳統(tǒng)化石能源的過分依賴，緩解當(dāng)前的能源緊張形勢，而且新能源具有對環(huán)境污染小和可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)勢，在未來社會的能源結(jié)構(gòu)中將占有重要地位。

風(fēng)電作為一種可以持續(xù)利用的能源，具有清潔性的優(yōu)點(diǎn)。風(fēng)電資源在我國分布十分富裕，隨著對風(fēng)電資源的不斷利用和發(fā)展，我國并網(wǎng)風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量也不斷增加。針對我國目前的情況來說，對于并網(wǎng)風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的研究還不完善，需要加強(qiáng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)技術(shù)的研究，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電性能，擴(kuò)大風(fēng)力發(fā)電在實(shí)際電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。在今后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，應(yīng)提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)的技術(shù)水平，采用先進(jìn)的控制算法，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后系統(tǒng)保持安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

近年來風(fēng)電的裝機(jī)容量在不斷擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電在系統(tǒng)中的占比不斷提高，可再生能源發(fā)電已經(jīng)成為我國重要的能源形式之一。本文系統(tǒng)分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)的原理和具體的控制技術(shù)，在實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)中可以加以應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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