一種新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)

蘇新霞等

摘 要：為了提高風(fēng)能的利用效率、延長(zhǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的壽命和降低風(fēng)力發(fā)電的成本，設(shè)計(jì)了一種新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)及其控制方法解決了因風(fēng)向頻繁變化而使機(jī)艙難以精確對(duì)風(fēng)的問(wèn)題和偏航系統(tǒng)滯后的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；遲滯環(huán)控制；固定時(shí)間間隔控制；發(fā)電成本

中圖分類(lèi)號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.010

風(fēng)能是一種永不枯竭的清潔能源，相比于其他利用新型清潔能源的技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)較為成熟，具有商業(yè)化的推廣模式。因此，風(fēng)力發(fā)電在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展，已成為當(dāng)今世界發(fā)展速度最快的能源形式。目前，很多國(guó)家對(duì)風(fēng)電技術(shù)進(jìn)行了深入研究，在很多方面取得了一定的成果，但偏航控制未能取得有效發(fā)展。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)的原理

偏航系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)向風(fēng)速傳感器檢測(cè)風(fēng)向和風(fēng)速，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)送至偏航控制器處理，控制器可根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出指令，進(jìn)而由系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的偏航操作。根據(jù)運(yùn)行原理，該系統(tǒng)可分為外環(huán)和內(nèi)環(huán)2個(gè)部分：外環(huán)檢測(cè)元件可檢測(cè)機(jī)艙位置，通過(guò)與風(fēng)向信號(hào)的對(duì)比計(jì)算得出風(fēng)向與機(jī)艙位置的夾角，并據(jù)此判斷是否需要偏航以及向哪個(gè)方向偏航；內(nèi)環(huán)偏航計(jì)數(shù)器可記錄電纜的旋轉(zhuǎn)角度，并執(zhí)行解纜操作。

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航控制過(guò)程

根據(jù)上述風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航控制原理，可分解整個(gè)偏航系統(tǒng)的控制過(guò)程：①在可用風(fēng)速范圍內(nèi)執(zhí)行自動(dòng)偏航。②超出可用風(fēng)速范圍時(shí)執(zhí)行90o側(cè)風(fēng)；為了防止電纜纏繞，可自動(dòng)解纜，并在風(fēng)機(jī)故障或維修時(shí)執(zhí)行人工偏航。在偏航過(guò)程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)始終處于正常運(yùn)行狀態(tài)。而風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)和機(jī)艙的轉(zhuǎn)動(dòng)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的受力較為復(fù)雜，會(huì)直接影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用壽命。

現(xiàn)有的偏航控制系統(tǒng)的作用是保持機(jī)艙方向與風(fēng)向一致，從而使風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲得更多的風(fēng)能。偏航系統(tǒng)的滯后性和風(fēng)向的頻繁變化會(huì)導(dǎo)致機(jī)艙難以精確對(duì)風(fēng)。此外，風(fēng)向的頻繁變化也會(huì)導(dǎo)致偏航機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)作，進(jìn)而影響偏航機(jī)構(gòu)的壽命。

2 新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)

本文在分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了采用新型偏航控制策略的偏航控制系統(tǒng)。其控制策略包含遲滯環(huán)的死區(qū)效應(yīng)控制和固定時(shí)間間隔控制。

2.1 基于遲滯環(huán)的死區(qū)效應(yīng)控制

偏航系統(tǒng)的主要功能是調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航角β，使其與風(fēng)向角α相等，從而提高風(fēng)能利用效率。本文首先設(shè)計(jì)了死區(qū)效應(yīng)控制器，以調(diào)節(jié)偏航系統(tǒng)的工作狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)向角α與偏航角β之間的偏差角在[-B，B]之間時(shí)，偏航系統(tǒng)會(huì)停止運(yùn)行；當(dāng)偏差角的絕對(duì)值>B時(shí)，偏航系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行；當(dāng)偏差角的優(yōu)選范圍在[-A，A]的區(qū)間內(nèi)時(shí)，偏航系統(tǒng)停止運(yùn)行。

為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲得的風(fēng)能在Pmax的98 %以上，進(jìn)行了以下推導(dǎo)計(jì)算：

cos（α-β）≥98%. （1）

|α-β|≤arctan（0.98）. （2）

|α-β|≤11.5°. （3）

-11.5°≤（α-β）≤11.5°. （4）

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果偏差角的角度在[-11.5°，11.5°]的范圍內(nèi)，則可保證獲得的風(fēng)能98%以上是正對(duì)風(fēng)向的。令B=11.5°，A通常取3°～5°，在本文中A取4°。因此，即使偏差角在[-11.5°，11.5°]之間無(wú)偏航動(dòng)作，且每次偏航后最優(yōu)范圍在[-4°，4°]之間時(shí)，風(fēng)能利用率可達(dá)到98%以上。

2.2 基于固定時(shí)間間隔的控制

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，風(fēng)機(jī)偏航時(shí)間與風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間的比值不得超過(guò)0.1，即如果風(fēng)機(jī)每次偏航的平均時(shí)間為t，則至多每10 t才能進(jìn)行一次偏航動(dòng)作。

一般情況下，偏航角速度為0.6°/s，且在每次大約調(diào)整11.5°的前提下，偏航的動(dòng)作時(shí)間t1=6.9 s。偏航動(dòng)作的啟動(dòng)停止時(shí)間約為21 s，則風(fēng)機(jī)的偏航時(shí)間t2=21+6.9=27.9 s，約為28 s。通過(guò)計(jì)算，本文中兩次控制采樣的間隔時(shí)間t=10t2=10×28=280 s。

2.3 新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)的具體實(shí)施

將上述2種控制結(jié)合在一起，即如果偏差角處于[-11.5°，11.5°]之外時(shí)，則無(wú)條件執(zhí)行偏航機(jī)構(gòu)動(dòng)作；如果偏差角處于[-11.5°，11.5°]范圍內(nèi)時(shí)，則檢測(cè)本次動(dòng)作與上一次偏航機(jī)構(gòu)動(dòng)作的間隔時(shí)間是否超過(guò)280 s。

基于上述判斷條件，如果本次動(dòng)作與上一次偏航機(jī)構(gòu)動(dòng)作的間隔時(shí)間已超過(guò)280 s，則執(zhí)行偏航機(jī)構(gòu)動(dòng)作并重新計(jì)時(shí)；如果未超過(guò)280 s，則繼續(xù)計(jì)時(shí)并檢測(cè)偏差角的大小。

新控制方案的具體實(shí)施步驟為：偏航控制器接收風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)向角和風(fēng)向儀檢測(cè)到的風(fēng)向角差值，當(dāng)偏差角的絕對(duì)值>11.5°時(shí)，偏航機(jī)構(gòu)動(dòng)作，調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)艙，使偏差角處于[-4°，4°]之間，進(jìn)而使偏航機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行；當(dāng)偏差角處于[-11.5°，11.5°]之間時(shí)，如果本次動(dòng)作與上一次偏航機(jī)構(gòu)動(dòng)作的間隔時(shí)間已超過(guò)280 s，則偏航機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)行，調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙，使偏差角處于[-4°，4°]之間，偏航機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行，并重新計(jì)時(shí)；如果未超過(guò)280 s，則偏航機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行，繼續(xù)計(jì)時(shí)并檢測(cè)偏差角，偏航控制器將輸出結(jié)果傳輸至偏航機(jī)構(gòu)，進(jìn)而控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙的轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了采用新型偏航控制策略的偏航控制系統(tǒng)，其控制策略結(jié)合了遲滯環(huán)控制和固定采樣時(shí)間間隔控制。該方案設(shè)定的偏差角小于預(yù)設(shè)角度時(shí)偏航機(jī)構(gòu)不運(yùn)行，減少了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的對(duì)風(fēng)次數(shù)，延長(zhǎng)了風(fēng)電發(fā)電機(jī)的使用壽命。此外，該方案中還設(shè)定了預(yù)設(shè)采樣周期，可保證最低的對(duì)風(fēng)頻率和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率達(dá)到98%以上。

參考文獻(xiàn)

[1]金長(zhǎng)生.風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2010.

[2]汪萍萍.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

〔編輯：張思楠〕