風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)設(shè)計仿真技術(shù)研究

鄒　宇，李艷蓉，陳建炳，陳愛國

（1.中國航天科工集團(tuán)六院601所，呼和浩特　010076；2.臺州市公安局特警支隊，浙江　臺州　318000 3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)　電力學(xué)院，呼和浩特　010051）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)設(shè)計仿真技術(shù)研究

鄒宇1，李艷蓉2，陳建炳2，陳愛國3

（1.中國航天科工集團(tuán)六院601所，呼和浩特010076；2.臺州市公安局特警支隊，浙江臺州318000 3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，呼和浩特010051）

偏航控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心機(jī)構(gòu)之一，其硬件設(shè)計、軟件開發(fā)與控制算法的合理選用將直接影響偏航控制系統(tǒng)研發(fā)成本、周期，以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率和安全可靠性等；仿真技術(shù)作為一種有效的性能預(yù)測、試驗驗證和分析的綜合性技術(shù)，其具有高效、安全、受環(huán)境條件的約束較少等優(yōu)點，在復(fù)雜系統(tǒng)的研發(fā)過程中已成為不可或缺的重要手段；因此，偏航控制系統(tǒng)研發(fā)前期，為確保系統(tǒng)軟硬件開發(fā)、控制算法設(shè)計的合理性，縮短研發(fā)周期、提高研制效率、降低資源成本，將仿真作為主要驗證手段；利用Proteus對偏航控制系統(tǒng)的硬件電路和系統(tǒng)軟件進(jìn)行仿真驗證，利用MATLAB對控制算法設(shè)計的合理性進(jìn)行考核，為實際偏航控制系統(tǒng)研發(fā)提供依據(jù)和指導(dǎo)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)；偏航控制系統(tǒng)；Proteus硬件仿真；Matlab算法仿真

0　引言

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要形式，發(fā)電過程不消耗礦產(chǎn)資源，不排放污染物和溫室氣體，是發(fā)展最快的綠色能源。也是目前可再生能源中除水能之外技術(shù)最成熟、最具有規(guī)模化開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。由于風(fēng)向隨時會發(fā)生變化，若風(fēng)力發(fā)電機(jī)始終對準(zhǔn)風(fēng)向，能夠保證風(fēng)機(jī)工作于較高風(fēng)能力利用率的狀態(tài)；或當(dāng)風(fēng)力強(qiáng)度超出可用范圍時，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持側(cè)風(fēng)狀態(tài)，確保超過風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全可靠；風(fēng)力發(fā)電機(jī)出現(xiàn)電纜纏繞或故障檢修時，可人工控制其偏航狀態(tài)，性能穩(wěn)定、工作可靠的偏航控制系統(tǒng)是實現(xiàn)上述功能的保障［1］。偏航控制系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)特有的伺服系統(tǒng)，是風(fēng)機(jī)的核心機(jī)構(gòu)之一，它是使風(fēng)輪穩(wěn)定的跟蹤變化的風(fēng)向，保證捕獲最大的風(fēng)能。因此，為提高風(fēng)能利用率、保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可靠工作，應(yīng)對偏航控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計研發(fā)。

1　偏航控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)的作用：1、在可用風(fēng)速范圍內(nèi)自動對風(fēng)；2、在非可用風(fēng)速范圍下，為防止風(fēng)機(jī)葉片損壞，要停機(jī)并進(jìn)行90°側(cè)風(fēng)；3、在連續(xù)跟蹤風(fēng)向可能造成電纜纏繞的情況下的自動解纜；4、在自動偏航失敗或風(fēng)力機(jī)需要維修時，進(jìn)入人工偏航；5、當(dāng)機(jī)艙處于正確位置時，提供必要的鎖緊力矩，使機(jī)艙定位，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運行［2］。偏航控制系統(tǒng)接口關(guān)系如圖1所示。

圖1　偏航控制系統(tǒng)接口關(guān)系

根據(jù)偏航控制系統(tǒng)接口關(guān)系，以單片機(jī)為核心，設(shè)計偏航控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　偏航控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)

風(fēng)向傳感器、風(fēng)速傳感器、數(shù)字編碼器分別對風(fēng)向，風(fēng)速，機(jī)艙方向進(jìn)行采樣，從傳感器出來的信號經(jīng)過處理后，送入單片機(jī)。單片機(jī)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)處理結(jié)果，送出驅(qū)動信號，控制偏航電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)及剎車機(jī)構(gòu)的動作。為方便偏航控制系統(tǒng)調(diào)試，通過人工方式發(fā)送各類信號到偏航控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)信號執(zhí)行相應(yīng)操作，通過仿真方式驗證系統(tǒng)軟硬件開發(fā)、控制算法設(shè)計方案的合理性。

2　軟硬件仿真電路設(shè)計

基于Proteus設(shè)計偏航控制系統(tǒng)仿真電路：①用AT89C52單片機(jī)作為處理器；②用LCD顯示當(dāng)前工作狀態(tài)；③用步進(jìn)電機(jī)模擬偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)；④用滑動變阻器模擬角度傳感器；⑤用按鍵控制信號的輸入。

偏航控制系統(tǒng)仿真電路圖如圖3所示。通過改變滑動變阻器阻值，模擬風(fēng)向角度作為偏航系統(tǒng)輸入；ADC0804將采集到的角度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入單片機(jī)；LCD和步進(jìn)電機(jī)通過鎖存器74 LS373共用P0口；用ULN2004A（達(dá)林頓管）來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。

圖3　偏航控制系統(tǒng)仿真電路圖

LCD顯示內(nèi)容：“累計角度”表示開機(jī)以來，電機(jī)總共偏轉(zhuǎn)的角度；“偏航角度”表示采集到的風(fēng)向角度，偏航電機(jī)會據(jù)此轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度；“收到指令”表示此時偏航系統(tǒng)執(zhí)行的操作。

LED作用：用LED（LEFT）、LED（RIGHT）模擬偏航系統(tǒng)左、右紐纜開關(guān)，當(dāng)電機(jī)向同一個方向連續(xù)偏轉(zhuǎn)超過一定的角度時，會觸發(fā)紐纜開關(guān)，此開關(guān)動作將會觸發(fā)安全鏈動作，電機(jī)立刻回轉(zhuǎn)，并發(fā)出故障報告。用LED（BREAK）模擬偏航剎車，偏航開始時，此燈滅，表示放開剎車；偏航結(jié)束后，此燈亮，表示剎車機(jī)構(gòu)將偏航軸抱緊。

各按鍵功能：按下“對風(fēng)”、“側(cè)風(fēng)”鍵，電機(jī)執(zhí)行對風(fēng)或側(cè)風(fēng)動作；閉合“人工偏航”開關(guān)，進(jìn)入人工偏航界面，通過“加”、“減”、“確認(rèn)”鍵，完成偏航角度的人為設(shè)定；控制系統(tǒng)完成無條件解纜，會處于停機(jī)等待狀態(tài)；待故障解除后，按下“EXIT”鍵來退出停機(jī)等待狀態(tài)［3］。

偏航控制系統(tǒng)程序由C語言編寫，在集成開發(fā)環(huán)境Keil中對程序進(jìn)行調(diào)試；將編譯完成的控制程序加載到Proteus仿真電路中，以驗證軟硬件設(shè)計方案的可行性及合理性。

3　Proteus仿真結(jié)果

3.1自動對風(fēng)

按下“對風(fēng)”鍵后，根據(jù)采集到的風(fēng)向角度，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過對應(yīng)的角度，完成對風(fēng)；對風(fēng)過程中，LCD顯示屏“收到指令”項顯示“對風(fēng)”字樣，如圖4所示。

圖4　執(zhí)行對風(fēng)

3.2側(cè)風(fēng)

側(cè)風(fēng)，當(dāng)風(fēng)速進(jìn)入非可用范圍時，機(jī)艙進(jìn)行90°或-90°偏轉(zhuǎn)；偏轉(zhuǎn)角度取決于之前的累積偏轉(zhuǎn)角度。例如：當(dāng)累積偏轉(zhuǎn)角度為-73°時，按下“側(cè)風(fēng)”鍵，電機(jī)會進(jìn)行+90°的偏轉(zhuǎn)；側(cè)風(fēng)完成后累積角度變?yōu)?17°，即完成了側(cè)風(fēng)，同時實現(xiàn)一定程度的解纜；側(cè)風(fēng)過程中，LCD顯示屏“收到指令”項顯示“側(cè)風(fēng)”字樣。

3.3條件解纜

條件解纜，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)艙向同一方向連續(xù)偏轉(zhuǎn)達(dá)到3圈時，若此時風(fēng)速小于風(fēng)力機(jī)組啟動風(fēng)速且風(fēng)機(jī)無功率輸出，則停機(jī)，控制系統(tǒng)使機(jī)艙反向解纜；若此時有功率輸出，則暫不解纜。當(dāng)累積角度達(dá)到1080°時，系統(tǒng)會進(jìn)行條件解纜；條件解纜是通過軟件對偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行計數(shù)，利用程序?qū)崿F(xiàn)解纜。在解纜過程中，LCD顯示屏“收到指令”項顯示“條件解纜”字樣。

3.4無條件解纜

無條件解纜，當(dāng)機(jī)艙向同一方向連續(xù)偏轉(zhuǎn)達(dá)到3圈半，而且軟件一直沒有執(zhí)行條件解纜時，會觸發(fā)紐纜開關(guān)，此開關(guān)動作會觸發(fā)安全鏈動作，屬于硬件解纜；無條件解纜是一種故障狀態(tài)，解纜完成后，停機(jī)等待，發(fā)出故障報告；等故障排除后，再重新開機(jī)［4］。當(dāng)累積角度達(dá)到1260度時，會執(zhí)行無條件解纜；若電纜是反向過度纏繞，則LED（LEFT）會亮，表示反向紐纜開關(guān)被觸發(fā)，電機(jī)進(jìn)行正向解纜；若電纜是正向過度纏繞，則LED（RIGHT）會亮，表示正向紐纜開關(guān)被觸發(fā)，電機(jī)進(jìn)行反向解纜；無條件解纜過程中，LCD顯示屏“收到指令”項顯示“無條件解纜”字樣。解纜完成后，“收到指令”項顯示“故障”字樣，待故障排除后，按下“EXIT”鍵后，LED（LEFT）燈或LED（RIGHT）燈滅，退出故障狀態(tài)，程序復(fù)位。

3.5人工偏航

閉合“人工偏航”開關(guān)，進(jìn)入“人工偏航”界面，如圖5所示；選中“人工設(shè)定”項，通過“加”、“減”、“確認(rèn)”鍵來設(shè)置角度；選中“偏航啟動”項，按下“確認(rèn)”鍵，電機(jī)按照人為設(shè)定好的角度進(jìn)行偏轉(zhuǎn)；完成人工偏航后，打開“人工偏航”開關(guān)，退出人工偏航，回到對風(fēng)界面。

圖5　執(zhí)行人工偏航

偏航控制系統(tǒng)通過COMPIM串口與PC機(jī)進(jìn)行通信，將系統(tǒng)仿真/工作情況以.txt格式文件保存在PC中。

4　控制算法設(shè)計及仿真

風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制算法會直接影響風(fēng)機(jī)的性能及功率輸出，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)作為一個典型的非線性系統(tǒng)，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，參考資料［5］提出的簡易數(shù)學(xué)模型，偏航系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下：

通過Matlab進(jìn)行仿真，得到偏航控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖6所示。

圖6　偏航控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)

可見，偏航控制系統(tǒng)振蕩嚴(yán)重，并且調(diào)節(jié)時間過長，對于偏航機(jī)械系統(tǒng)來說十分不利，將嚴(yán)重影響偏航控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性及工作壽命等指標(biāo)。因此，應(yīng)對偏航系統(tǒng)控制算法進(jìn)行合理設(shè)計，期望偏航控制系統(tǒng)能夠無超調(diào)并以適當(dāng)?shù)钠D(zhuǎn)速度使風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行對風(fēng)。

模糊控制算法不需要有精確的控制對象數(shù)學(xué)模型，它在一定程度上模仿了人的控制，是一種智能控制的方法，其所具備的構(gòu)造容易、魯棒性好等特點適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)的算法設(shè)計和控制功能實現(xiàn)。

選用模糊PID控制作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)算法。當(dāng)輸入信號處在大范圍內(nèi)使用模糊控制，處在小范圍內(nèi)使用PID控制。閾值取為e0=0.3，當(dāng)偏差信號時啟動模糊控制，當(dāng)時，啟動PID控制。其中設(shè)計PID環(huán)節(jié)如下：設(shè)計模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1模糊控制規(guī)則表

根據(jù)上述設(shè)計的PID環(huán)節(jié)及模糊控制規(guī)則，在Simulink環(huán)境下構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)的模糊PID控制仿真結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　偏航控制算法模糊PID控制仿真結(jié)構(gòu)

將階躍信號作為輸入，考核風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)模糊PID控制算法性能。階躍響應(yīng)仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8　采用模糊PID控制算法的偏航系統(tǒng)階躍響應(yīng)

通過仿真驗證可知：采用模糊PID控制算法的偏航系統(tǒng)響應(yīng)速度快、初始階段超調(diào)量小、風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠穩(wěn)定運行。因此，模糊PID控制算法適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)控制。

5　結(jié)論

利用仿真技術(shù)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計方案的可行性和合理性進(jìn)行了驗證：在Proteus平臺上搭建了偏航控制系統(tǒng)硬件仿真電路，較好地驗證了硬件設(shè)計合理性；通過MATLAB/Simulink對偏航系統(tǒng)控制算法設(shè)計進(jìn)行了驗證，由仿真結(jié)果可知，采用模糊PID控制算法獲得了較好的控制效果。上述仿真驗證方法能夠為真實風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)硬件開發(fā)、方案驗證及控制算法設(shè)計優(yōu)化等工作提供有效的指導(dǎo)和支撐。

［1］劉慶玉，李軼，谷士艷.風(fēng)能工程［M］.沈陽：遼寧民族出版社，2008.

［2］蘇紹禹.風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計與運行維護(hù)［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［3］李曉燕，王志新.風(fēng)力機(jī)偏航系統(tǒng)控制策略及系統(tǒng)設(shè)計［J］.控制系統(tǒng)，2007，23 （9-1）：1-3.

［4］熊禮儉.風(fēng)力發(fā)電新技術(shù)與發(fā)電工程設(shè)計、運行、維護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范使用手冊［M］.北京：中國科技文化出版社，2005.

［5］李毅，溫正忠，趙少剛，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)模糊控制的研究［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2006 （1）：29-31.

［6］韋巍，何衍.智能控制基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［7］周景潤.Proteus在MCS-51&ARM7系統(tǒng)中的應(yīng)用百例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［8］陳朝元，魯五一.Proteus軟件在自動控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20（2）：318-320.

Study on Wind Turbine Yaw Control System Design and Simulation Technology

Zou Yu1，Li Yanrong2，Chen Jianbing2，Chen Aiguo3
（1.CASIC 601stInstitute，Huhehaote010076，China；2.Special Brigade，Taizhou city police Station，Taizhou318000，China；3.College of Electricity，Inner Mongolia University，Huhehaote010051，China）

Yaw control system is one of the core institutions of wind turbine，its hardware design，software development and rational use of the control algorithm will directly affect the yaw control system exploit costs and time，And the utilization of wind energy and the safety and reliability of wind turbines，etc.Simulation technology as integrated technologies that can effectively predict performanceion，test verification and analyze，it has advantage that include efficiency，safety，and less environmental influence，it has became the indispensable tool in the development of complex systems.Thus，in the yaw control system early development，to ensure that the system hardware and software development，design of control algorithm is reasonable，and shorten the development time，improve the development efficiency and reduce resource costs，the simulation is the primary means of verification.The scheme of yaw control system hardware and software was emulated by Proteus，and the design of control algorithm was simulated by MATLAB.Providing the evidence and guidance for the actual yaw control system development.

wind power generation；yaw control system；Proteus emulation；Matlab simulation

1671-4598（2016）05-0099-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.029

V435

A

2015-11-05；

2015-12-07。

鄒宇（1984-），男，內(nèi)蒙古包頭人，工學(xué)碩士，主要從事固體火箭發(fā)動機(jī)試驗與測試技術(shù)方向的研究。

陳愛國（1955-），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，教授，主要從事檢測技術(shù)與自動化裝置方向的研究。