風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制策略的設(shè)計(jì)

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(jī)組偏航系統(tǒng)的作用是通過(guò)偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)合理的偏航控制策略，應(yīng)當(dāng)既能滿足對(duì)風(fēng)的要求，又可以保證偏航系統(tǒng)的機(jī)械使用壽命。

1 偏航系統(tǒng)組成

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)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(dòng)電機(jī)、偏航制動(dòng)器、角度傳感器等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dòng)電機(jī)的運(yùn)行速度和運(yùn)行方向，偏航制動(dòng)器在偏航系統(tǒng)靜止時(shí)提供足夠的制動(dòng)力矩，在偏航系統(tǒng)動(dòng)作過(guò)程中提供必要的阻尼力矩。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)電力傳輸電纜的存在，單方向累積偏航角度達(dá)到扭纜極限時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)需反方向運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)扭纜的解纜動(dòng)作。

2 偏航控制系統(tǒng)

偏航控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)的重要組成部分，用來(lái)控制偏航系統(tǒng)偏航動(dòng)作、解纜動(dòng)作的執(zhí)行?；据斎胄盘?hào)包括風(fēng)速、風(fēng)向、機(jī)艙位置角度、偏航扭纜角度、制動(dòng)系統(tǒng)壓力等，輸出信號(hào)包括偏航電機(jī)控制、偏航制動(dòng)器控制等。偏航系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有手動(dòng)控制功能，即忽略機(jī)艙位置與風(fēng)向的偏差，人為控制機(jī)艙順時(shí)針／逆時(shí)針（俯視）運(yùn)行，為人工維護(hù)提供便捷。

3 偏航控制策略設(shè)計(jì)

偏航控制系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行模式和運(yùn)行狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)分為待機(jī)、偏航、解纜、手動(dòng)四個(gè)狀態(tài)。如圖1所示。

圖1 偏航控制狀態(tài)機(jī)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本運(yùn)行狀態(tài)即為無(wú)人值守的自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，“待機(jī)狀態(tài)!"偏航狀態(tài)”及這兩個(gè)狀態(tài)間的切換是偏航控制策略設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。如圖2所示。

機(jī)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(jì)算公式為：

其中N為機(jī)艙位置方位角，P為風(fēng)向方位角。

K＞0時(shí)，風(fēng)向在機(jī)艙左側(cè)位置，偏航系統(tǒng)須逆時(shí)針運(yùn)行；

K＜0時(shí)，風(fēng)向在機(jī)艙右側(cè)位置，偏航系統(tǒng)須順時(shí)針運(yùn)行。

1）偏航控制策略A。

實(shí)時(shí)跟隨策略。即機(jī)艙位置實(shí)時(shí)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(yùn)行，偏航驅(qū)動(dòng)電機(jī)為S1工作制。理論上該控制策略能最大化地保證機(jī)艙的對(duì)風(fēng)效果，最高效地捕獲風(fēng)能。但對(duì)偏航驅(qū)動(dòng)和偏航制動(dòng)裝置提出了更高的要求。

2）偏航控制策略B。

偽實(shí)時(shí)跟隨策略。即機(jī)艙位置并不時(shí)刻跟隨風(fēng)向的變化，只有當(dāng)｜K｜值超過(guò)預(yù)設(shè)值8°后，偏航驅(qū)動(dòng)才投入運(yùn)行。該控制策略有效減少了偏航驅(qū)動(dòng)運(yùn)行時(shí)間，但在風(fēng)況不穩(wěn)定的地區(qū)對(duì)偏航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命仍然有影響。

3）偏航控制策略C。

改進(jìn)的偽實(shí)時(shí)跟隨策略。機(jī)艙位置不時(shí)刻跟隨風(fēng)向的變化，僅當(dāng)小風(fēng)工況（Vwind＜7m／s）K值超過(guò)預(yù)設(shè)值16°的持續(xù)時(shí)間超過(guò)120s，或大風(fēng)工況（Vwind＞7m／s）K 值超過(guò)預(yù)設(shè)值8°的持續(xù)此件超過(guò)60s后，偏航系統(tǒng)才投入運(yùn)行。該控制策略通過(guò)時(shí)間參數(shù)對(duì)風(fēng)向變化進(jìn)行有效濾波，進(jìn)一步減少了偏航驅(qū)動(dòng)運(yùn)行時(shí)間。以上所述如圖3所示。

4 偏航控制策略驗(yàn)證

在山西省某風(fēng)電場(chǎng)3MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上對(duì)不同偏航控制策略分別進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)偏航系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行比較：

圖3 改進(jìn)的偽實(shí)時(shí)偏航控制策略

如圖4所示，在同一臺(tái)3MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上對(duì)B、C兩種控制策略進(jìn)行比較，對(duì)比數(shù)據(jù)包括機(jī)艙方位角、風(fēng)向方位角和偏航動(dòng)作狀態(tài)。兩種控制策略分別測(cè)試1h。測(cè)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(dòng)作34次，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間15.3min。采用C控制策略，偏航系統(tǒng)動(dòng)作3次，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間2.4min。B控制策略各次偏航時(shí)間較短，平均時(shí)間27s，但動(dòng)作頻繁；C控制策略單次平均偏航時(shí)間48s，但動(dòng)作頻率有明顯的改進(jìn)。偏航驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組20年設(shè)計(jì)壽命中，參考運(yùn)行壽命為17 520h。采用C控制策略，20年偏航系統(tǒng)累計(jì)運(yùn)行7 008h，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

圖4 偏航控制策略B與C實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)、比較和驗(yàn)證，證明改進(jìn)的偽實(shí)時(shí)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(jī)組的對(duì)風(fēng)要求，又可以保證偏航系統(tǒng)的機(jī)械使用壽命。