功率與載荷協(xié)同控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制策略的優(yōu)化★

石 磊

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

偏航是指水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙繞塔架旋轉(zhuǎn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)一般分為主動(dòng)偏航系統(tǒng)和被動(dòng)偏航系統(tǒng)。被動(dòng)偏航系統(tǒng)指的是依靠風(fēng)力通過相關(guān)機(jī)構(gòu)完成機(jī)組對(duì)風(fēng)動(dòng)作的偏航方式。主動(dòng)偏航系統(tǒng)指采用電動(dòng)或液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)偏航軸承來完成機(jī)組對(duì)風(fēng)動(dòng)作的偏航方式。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶齒的偏航軸承完成偏航動(dòng)作。

使風(fēng)輪跟蹤風(fēng)向的變化，使其始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，提高風(fēng)能利用率和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率。但是過大的偏航誤差會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)的載荷急劇上升；采用過小的偏航誤差會(huì)導(dǎo)致偏航系統(tǒng)頻繁工作，降低壽命。

本文研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航誤差與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航軸承極限載荷的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化。

1 偏航系統(tǒng)

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)由偏航執(zhí)行結(jié)構(gòu)和偏航控制系統(tǒng)組成。偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)由偏航軸承、偏航電機(jī)、偏航減速機(jī)、偏航小齒輪、偏航齒圈、偏航制動(dòng)器、偏航液壓系統(tǒng)等組成。偏航控制系統(tǒng)主要包括偏航控制器、風(fēng)向傳感器、偏航編碼器、扭纜傳感器等[1]。

當(dāng)風(fēng)向信號(hào)傳遞到偏航系統(tǒng)的控制器中，偏航控制器對(duì)風(fēng)向信號(hào)進(jìn)行比較和判斷，若滿足偏航條件，則偏航控制器給偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出逆時(shí)針或順時(shí)針動(dòng)作的信號(hào)，偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)接收信號(hào)開始偏航動(dòng)作；當(dāng)風(fēng)電機(jī)組準(zhǔn)確對(duì)風(fēng)時(shí)，偏航電機(jī)停止運(yùn)行，偏航過程結(jié)束。偏航系統(tǒng)的工作原理如圖1[2]所示。

圖1 偏航系統(tǒng)原理圖

2 關(guān)于偏航誤差的仿真

本文用GH Bladed軟件對(duì)2.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行功率和載荷仿真計(jì)算，該機(jī)組切入風(fēng)速為3 m/s，切出風(fēng)速為25 m/s，標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的額定風(fēng)速為9.5 m/s。為簡(jiǎn)化計(jì)算與分析，風(fēng)模型采用穩(wěn)態(tài)風(fēng)模型。

2.1 偏航誤差對(duì)發(fā)電量的影響

當(dāng)偏航誤差分別為 0°、8°、16°、24°、30°時(shí)，分別計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線，計(jì)算結(jié)果如圖2。由圖2可以看出，偏航誤差為8°時(shí)，相同風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率與偏航誤差為0°時(shí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率相差不大，最大差值百分比不超過4%；當(dāng)偏航誤差為16°、24°、30°時(shí)，在額定風(fēng)速以下，隨著偏航誤差的增大，相同風(fēng)速時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率與偏航誤差為0°時(shí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率偏差較大，且偏航誤差越大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率相差越大。

圖2 各偏航誤差下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率曲線

風(fēng)速相同且風(fēng)速小于額定風(fēng)速，當(dāng)偏航誤差為16°時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率與偏航誤差為0°時(shí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率相比，最大差值百分比為16.7%，當(dāng)偏航誤差為24°時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率與偏航誤差為0°時(shí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率相比，最大差值百分比為36.4%，當(dāng)偏航誤差為30°時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率與偏航誤差為0°時(shí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率相比，最大差值百分比為54.3%。

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)滿發(fā)后，隨著風(fēng)速增大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過調(diào)整變槳角度使風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪獲得恒定扭矩，將發(fā)電機(jī)維持在額定功率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到額定功率后，偏航誤差對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率沒有影響。

通過分析偏航誤差對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量的影響，在滿發(fā)風(fēng)速以下采用較小的偏航誤差可以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量；在滿發(fā)風(fēng)速以上采用較大的偏航誤差，可以降低偏航系統(tǒng)的工作頻率，延長(zhǎng)偏航系統(tǒng)的使用壽命[2]。

2.2 偏航誤差對(duì)偏航軸承載荷的影響

偏航軸承滾道的應(yīng)力及壽命與極限載荷Fxy（x方向與y方向合成力）、Fz（z方向力）、Mxy（x，y方向合成力矩）有關(guān)。

當(dāng)偏航誤差分別為 0°、8°、16°、24°、30°時(shí)，分別計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在各風(fēng)速下偏航軸承的極限載荷，計(jì)算結(jié)果如表1，由表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)偏航誤差變化時(shí)，偏航軸承極限載荷Fxy與Fz變化不大；而偏航軸承極限載荷Mxy隨偏航誤差的增大而增大。由此可知，增加偏航誤差對(duì)Fxy與Fz影響不大。

表1 各偏航誤差下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航軸承極限載荷

不同偏航誤差下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航軸承極限載荷Mxy隨風(fēng)速的變化情況見圖3。根據(jù)圖3分析可知，在偏航誤差為0°的情況下，風(fēng)速為10.5 m/s時(shí)，偏航軸承極限載荷Mxy達(dá)到最大值，當(dāng)風(fēng)速超過10.5 m/s后，偏航軸承極限載荷Mxy隨風(fēng)速的增大而減小。但是在偏航誤差不為0°的情況下，在風(fēng)速超過滿發(fā)風(fēng)速后，偏航軸承極限載荷Mxy隨風(fēng)速的增大先減小，然后再增大直到風(fēng)力發(fā)電機(jī)切出，所以偏航軸承極限載荷Mxy出現(xiàn)在切出風(fēng)速。

通過上述分析可知，為了降低偏航軸承載荷，同時(shí)能夠最大限度地減小偏航系統(tǒng)的工作頻次，當(dāng)風(fēng)速小于21 m/s時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航誤差設(shè)置為16°，當(dāng)風(fēng)速大于21 m/s時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航誤差設(shè)置為8°。

圖3 各偏航誤差下偏航軸承極限載荷Mxy

2.3 偏航控制策略的優(yōu)化與仿真

通過分析偏航誤差對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率以及偏航軸承極限載荷的影響，對(duì)2.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)控制策略進(jìn)行優(yōu)化，如表2。

表2 偏航系統(tǒng)控制策略

采用GH Bladed對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在優(yōu)化前、優(yōu)化后的控制策略下進(jìn)行仿真，分別計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率曲線和偏航軸承的載荷，功率曲線如圖4，偏航軸承極限載荷見表3。

圖4 優(yōu)化前后風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率曲線

表3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航軸承極限載荷

通過分析圖4和表3可知，采用優(yōu)化后的偏航控制策略，在不增加偏航軸承極限載荷的情況下可以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率。當(dāng)年平均風(fēng)速為6.5 m/s時(shí)，偏航控制策略優(yōu)化前年發(fā)電量為8360.68 MWh，控制策略優(yōu)化后年發(fā)電量為8749.61 MWh，通過優(yōu)化偏航控制策略，年發(fā)電量可以提高4.7%。

5 結(jié)論

采用功率與載荷協(xié)同控制的偏航控制策略，偏航軸承的極限載荷得到了很好的控制，降低了偏航系統(tǒng)的工作頻率，延長(zhǎng)了偏航系統(tǒng)的使用壽命，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量。