風(fēng)力發(fā)電偏航控制系統(tǒng)研究及技術(shù)展望

張 皓 劉萬久 黎俞琳 韓有才

（1四川大學(xué) 水利水電學(xué)院， 四川 成都 610065；2四川大學(xué) 化學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610065）（3四川大學(xué) 物理學(xué)院， 四川 成都 610065）

1 背景及意義

風(fēng)能來自于冷熱空氣對(duì)流，是一種永不枯竭的清潔能源，同其他幾種新型清潔能源相比，如地?zé)崮?、太陽能，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，正逐步趨于市場化。因而我們看到，風(fēng)力發(fā)電在全球各國的高速發(fā)展?，F(xiàn)階段，很多科研團(tuán)隊(duì)都在對(duì)風(fēng)電技術(shù)做進(jìn)一步地深入研究，在諸多方面取得了豐厚成果，但對(duì)偏航控制系統(tǒng)的完善卻一直躊躇不前。[1]

由于風(fēng)向風(fēng)速總是頻繁變化，且具有很大的隨機(jī)性，如果我們想要始終獲得最大的風(fēng)能，就必須始終使扇葉面正對(duì)風(fēng)向，這就對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航控制提出了很高的要求。偏航控制系統(tǒng)作為一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，要求能夠在規(guī)定風(fēng)速范圍內(nèi)自動(dòng)準(zhǔn)確對(duì)風(fēng)，由于機(jī)身重量過大，在風(fēng)向變換時(shí)，風(fēng)輪機(jī)只能實(shí)現(xiàn)非連續(xù)性偏轉(zhuǎn)，使得大部分時(shí)間內(nèi)風(fēng)扇葉與最大迎風(fēng)方向存在偏航夾角，極大程度地影響了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。另外，風(fēng)力機(jī)組下風(fēng)方向的風(fēng)機(jī)受到上風(fēng)方向風(fēng)機(jī)的氣流影響，無法識(shí)別真實(shí)風(fēng)向從而難以準(zhǔn)確對(duì)風(fēng)，加大了偏航控制系統(tǒng)的工作難度。[2]

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在風(fēng)力發(fā)電中，由于偏航等因素造成的風(fēng)能損失高達(dá) 50%，直接導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電的效率難以大幅提升，此外，頻繁的偏航調(diào)整對(duì)設(shè)備的損耗十分嚴(yán)重，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，由此可見，偏航控制系統(tǒng)的發(fā)展制約著風(fēng)能利用的進(jìn)步，需要我們投入更多的努力。

2 控制原理

風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)主要由風(fēng)向標(biāo)偏航電機(jī)偏航行星齒輪減速器和回轉(zhuǎn)體大齒輪組成，偏航電機(jī)的控制回路對(duì)偏航監(jiān)測傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行處理，給偏航電機(jī)發(fā)出偏航指令，從而帶動(dòng)偏航行星齒輪減速器和回轉(zhuǎn)體大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行對(duì)風(fēng)。[2]

偏航檢測傳感器由測風(fēng)裝置、限位開關(guān)、偏航凸輪、偏航絕對(duì)值編碼器組成；偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由偏航電機(jī)、偏航軸承、潤滑系統(tǒng)組成；偏航控制單元由主控器、耦合器、低壓配電柜組成。[3]

一般的偏航控制系統(tǒng)工作過程如下：風(fēng)速風(fēng)向傳感器作為感應(yīng)元件安裝于扇葉附近，監(jiān)測實(shí)時(shí)的風(fēng)能狀況，并即刻將風(fēng)向的變化用電信號(hào)傳輸?shù)狡诫姍C(jī)控制回路控制器中，控制處理器經(jīng)過比較判斷發(fā)出偏航命令到偏航電機(jī)，偏航電機(jī)通過偏航齒輪箱、減速器與調(diào)向小齒輪帶動(dòng)偏航大齒輪運(yùn)動(dòng)，機(jī)艙隨之運(yùn)動(dòng)，當(dāng)該對(duì)風(fēng)動(dòng)作完成后，風(fēng)向風(fēng)速傳感器的電信號(hào)將不會(huì)引發(fā)控制處理器發(fā)出偏航命令，偏航電機(jī)停止工作，偏航制動(dòng)器鎖緊，偏航過程結(jié)束，扇葉接受最大風(fēng)力的推動(dòng)進(jìn)行發(fā)電。[4]

3 目前技術(shù)

目前使用的偏航控制方法有很多，本文就以下幾種比較常用的進(jìn)行闡述。

3.1 爬山算法

爬山算法是一種局部擇優(yōu)的方法,采用啟發(fā)式方法,改進(jìn)深度優(yōu)先搜索,利用反饋信息幫助生成解的決策，它屬于人工智能算法的一種。應(yīng)用于偏航控制系統(tǒng)即為，每次偏航系統(tǒng)都會(huì)向正對(duì)風(fēng)向位置靠攏，一步一步移進(jìn)，直到達(dá)到最加位置，如爬山爬上頂峰，此時(shí)，搜索停止，系統(tǒng)鎖定。[5]

3.2 卡爾曼濾波算法

功率檢測算法對(duì)實(shí)現(xiàn)精確對(duì)風(fēng)有很大的裨益，但這也使得風(fēng)向小范圍內(nèi)變化時(shí)以及干擾情況下偏航系統(tǒng)頻繁動(dòng)作，產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致偏航系統(tǒng)磨損加增多，穩(wěn)定性下降，大大縮減其使用壽命。為了實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)風(fēng)，并且不損傷偏航系統(tǒng)的機(jī)械性能，顧露香提出了在爬山法基礎(chǔ)上進(jìn)行卡爾曼濾波控制的算法,。該算法的核心思想是利用風(fēng)向變化的魯棒性，假設(shè)風(fēng)向在短時(shí)間內(nèi)為周期分量，通過預(yù)測分析對(duì)系統(tǒng)阻尼進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，優(yōu)化風(fēng)向的偏航角度，使偏航系統(tǒng)對(duì)風(fēng)向的小擾動(dòng)保持冷靜，只對(duì)超過某一閾值的角度進(jìn)行調(diào)整，保證偏航系統(tǒng)對(duì)大范圍角度偏航的精確調(diào)整，同時(shí)減少不必要的機(jī)械磨損，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航動(dòng)作的穩(wěn)定性和可靠性。[2]

3.3 KHC算法

針對(duì)上述偏航控制問題，顧露香等還提出了一種優(yōu)化爬山法和卡爾曼濾波相結(jié)合的新型控制算法—KHC算法。該算法的核心內(nèi)容是采用爬山法，由之前監(jiān)測風(fēng)向傳感器對(duì)風(fēng)方向的爬山過程，改為檢測輸出的電功率的提升過程，避免下風(fēng)方向風(fēng)機(jī)受上風(fēng)方向風(fēng)機(jī)變向紊流等不利因素的影響，更加直接準(zhǔn)確。同時(shí)采用優(yōu)化卡爾曼濾波的方法，監(jiān)測短時(shí)間內(nèi)風(fēng)向在一定范圍內(nèi)連續(xù)性變化的特性，總結(jié)規(guī)律，使系統(tǒng)準(zhǔn)確預(yù)測并跟蹤風(fēng)向，保持葉輪轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定，同時(shí)控制好偏航機(jī)構(gòu)動(dòng)作的幅度和頻率，避免了偏航系統(tǒng)的疲勞工作。[2]

3.4 不足之處

首先，偏航系統(tǒng)的高靈敏性促使系統(tǒng)在風(fēng)向的微弱變化下也將做出偏航調(diào)整，風(fēng)向的變化可以說是隨時(shí)進(jìn)行的，那么，偏航系統(tǒng)將一直處于工作狀態(tài)，必將導(dǎo)致機(jī)械的勞損，降低其使用壽命，增加運(yùn)營成本。若是降低偏航系統(tǒng)的靈敏性，那么對(duì)風(fēng)能的利用率又將大大降低，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益降低，投資回報(bào)比太高，運(yùn)營同樣困難。

另外，由于偏航系統(tǒng)的調(diào)整動(dòng)作總是尋求最優(yōu)路徑，即選擇最短距離或最短時(shí)間達(dá)到正對(duì)風(fēng)向的狀態(tài)，由于風(fēng)向變化的不確定性，扇葉有可能一直往同一個(gè)方向偏航對(duì)風(fēng)，造成電纜纏繞，如果纏繞圈數(shù)超過了限定值，強(qiáng)大的力矩將絞斷電纜，系統(tǒng)停止工作，給機(jī)組帶來嚴(yán)重?fù)p害。[3]

4 技術(shù)展望

隨著科技的發(fā)展，有越來越多的偏航控制方法得以應(yīng)用，比如遲滯環(huán)的死區(qū)效應(yīng)等，這里不一一贅述。作者在本文提出一種新的控制系統(tǒng)—半圓式雙向監(jiān)測偏航控制系統(tǒng)。目前的扇葉移動(dòng)僅限于水平圓面，扇葉隨著風(fēng)向的變化做著圓周運(yùn)動(dòng)，而我們知道，風(fēng)向變化莫測，很多時(shí)候是從上往下，很少從下往上吹。那么，對(duì)于從上而下的那部分風(fēng)能，由于扇葉轉(zhuǎn)向的限制，智能利用極少的一部分，甚至完全無法利用，造成極大的資源浪費(fèi)。

若是采用半圓式雙向監(jiān)測系統(tǒng)，首先扇葉與支柱聯(lián)結(jié)的部位能在上圓面任意滑動(dòng)，由橫向和豎向的兩個(gè)電動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)，此外，將風(fēng)向傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行正交分解，分別控制兩個(gè)電裝置的工作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)半圓面的準(zhǔn)確對(duì)風(fēng)，如此一來，風(fēng)力發(fā)電對(duì)風(fēng)能的利用率將大幅度提升，期待此種裝置的早日投產(chǎn)使用。

5 結(jié)語

無論是小型發(fā)電機(jī)組，還是大型發(fā)電機(jī)組，對(duì)偏航系統(tǒng)的依賴是必不可少的，高效的偏航控制不僅能帶來直接的發(fā)電效益，更能保持較好的系統(tǒng)性能，間接帶來經(jīng)濟(jì)效益，從而促進(jìn)風(fēng)能發(fā)電的快速發(fā)展，提升在眾多新型清潔能源中的競爭力，所以，加大力度研究偏航控制系統(tǒng)十分緊要。

[1]蘇新霞,王致杰,徐雙,王鴻,劉逸釗.一種新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制系統(tǒng)[J].科技與創(chuàng)新,2015(20):10-11.

[2]顧露香,樂秀璠,楊虞琨,李柵柵.KHC算法在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的運(yùn)用[J].華電技術(shù),2011,33(09):92-94+98.

[3]張巖,吳光宇.大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng),2012(12):86-88.

[4]沈小軍,杜萬里.大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)控制策略研究現(xiàn)狀及展望[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(10):196-203.

[5]高文元,馬小英,崔鵬,王加偉,王現(xiàn)青.MW 級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)控制策略[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,10(02):415-418.