風(fēng)力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)仿真設(shè)計與分析

摘要：風(fēng)電機組偏航系統(tǒng)是風(fēng)機特有的機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性是風(fēng)機可靠運行的重要保障。現(xiàn)提出并實現(xiàn)了對偏航仿真系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計，對系統(tǒng)的控制策略和穩(wěn)定性進行了分析研究，通過動態(tài)調(diào)試，搭建了一個符合工業(yè)現(xiàn)場的風(fēng)電機組偏航仿真系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：偏航系統(tǒng);仿真實現(xiàn);控制策略;設(shè)計分析

0 引言

偏航機構(gòu)作為風(fēng)電機組特有且十分關(guān)鍵的隨動機械裝置，當機艙跟蹤風(fēng)向變化而發(fā)生電纜纏繞時，視風(fēng)機實際運行情況適時進行解纜，并及時潤滑偏航機械機構(gòu)。使用ADAMS、BLADED等軟件對偏航系統(tǒng)進行建模仿真已比較成熟，但進行實物模擬仿真的還不多，本文設(shè)計的模擬仿真系統(tǒng)對教育培訓(xùn)和科研具有現(xiàn)實意義。

1 偏航系統(tǒng)模擬仿真設(shè)計要求

1.1? ? 偏航對風(fēng)

偏航系統(tǒng)與風(fēng)機控制系統(tǒng)配合，通過風(fēng)傳感器跟蹤風(fēng)速、風(fēng)向的變化，計算單位時間內(nèi)平均風(fēng)向，當風(fēng)速大于某設(shè)定值時，如風(fēng)向與機艙方向的夾角超過設(shè)定角度，偏航系統(tǒng)將執(zhí)行偏航對風(fēng)。為防止機組在風(fēng)擾動情況下頻繁動作，偏航控制系統(tǒng)以10 min的平均風(fēng)向作為偏航條件，當滿足偏航條件時執(zhí)行偏航動作，讓風(fēng)機保持迎風(fēng)狀態(tài)。

1.2? ? 風(fēng)輪保護

正常發(fā)電時，制動器將偏航軸承鎖定，保證風(fēng)機在迎風(fēng)位置工作。在出現(xiàn)破壞性風(fēng)速時，葉片順槳并以最快速度停機，進而讓機艙偏航90°背風(fēng)，以免風(fēng)機受損。當機組出現(xiàn)緊急停機故障時，風(fēng)機將切除補償電容，風(fēng)輪氣動剎車，延時0.3 s后偏航制動器動作，檢測到瞬時功率為負時退出，若停機時長大于20 s仍未順槳，則機艙偏航90°背風(fēng)。

1.3? ? 扭纜保護

風(fēng)機朝同一方向連續(xù)偏航，導(dǎo)致高壓線纜過度扭絞，當扭絞程度達到扭纜保護觸發(fā)值時，系統(tǒng)執(zhí)行小風(fēng)自動解纜及強制解纜程序，保證機組安全運行。在偏航的過程中，機艙順時針或逆時針轉(zhuǎn)動達到720°～1 080°時，待機組出力較小或不出力時驅(qū)動風(fēng)機解纜。風(fēng)機在正常發(fā)電時，風(fēng)機不立即進行解纜操作。當偏航角度超過1 080°時，扭纜保護觸發(fā)初級解纜，機組需停機進行解纜。若不能解纜，則當紐纜角度達到1 440°時，會觸發(fā)終極解纜，紐纜開關(guān)將閉合，觸發(fā)安全鏈而導(dǎo)致機組自動停機，此時需要手動解纜。

2 偏航系統(tǒng)硬件仿真設(shè)計與實現(xiàn)

采用3臺無級變速三相異步電動機（Y112M-4）、3臺偏航減速器（BLD4-59-4kW），以外齒型驅(qū)動方式，在機艙轉(zhuǎn)動的同時帶動光電編碼器轉(zhuǎn)動，光電編碼器實時監(jiān)測機艙轉(zhuǎn)動角度并傳送到控制系統(tǒng)。裝置安裝采用分體式結(jié)構(gòu)，用支撐結(jié)構(gòu)平臺模擬機艙底座和偏航軸承等驅(qū)動構(gòu)件。偏航軸承及機艙模型通過一塊圓形齒邊的鋼板進行仿真模擬，在鋼板中央設(shè)軸承，軸承連接旋轉(zhuǎn)編碼器，其0°值對應(yīng)機組主風(fēng)向。偏航系統(tǒng)采用倍福PLC作為核心處理器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為4級。中央監(jiān)控計算機作為網(wǎng)絡(luò)層;PROFIBUS現(xiàn)場總線主站接口CX1500-M310、控制器CX1020-0000、電源模塊CX1100-0002、數(shù)字量輸入模塊KL1408、數(shù)字量輸出模塊KL2134、總線末端模塊KL9010構(gòu)成主站層;從站層包括總線耦合器BK3150、模擬量輸入模塊KL3122、SSI編碼器接口模塊KL5001、數(shù)字量輸出模塊KL2134、安全總線端子模塊KL1904和總線末端模塊KL9010;現(xiàn)場層由各種變頻器、電動機及各控制對象組成。偏航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 偏航系統(tǒng)控制程序設(shè)計

3.1? ? 偏航控制流程及策略

（1）自動潤滑。1）計算潤滑停止位置。若機艙位置>0°，潤滑偏航止位為機艙位置減355°;反之為機艙位置加355°。2）判斷是否需要潤滑。機組運行時間達到潤滑設(shè)定時間時，執(zhí)行潤滑，若運行時間>設(shè)定時間+120 h，則必須潤滑。3）判斷潤滑條件。風(fēng)速小于8 m/s時的易損件、風(fēng)速小于16 m/s時必須潤滑的部件，執(zhí)行自動潤滑程序。4）開始自動潤滑。滿足潤滑條件，時間置零重計，屏蔽自動解纜及自動偏航，根據(jù)機艙具體位置判斷潤滑時的偏航方向，計算潤滑停車位置，啟動偏航電機，偏航電機反饋信號后，潤滑泵立即運行并開啟控制閥進行自動潤滑。

（2）自動偏航。連續(xù)檢測氣流方向變化情況，在不同的角度差值下設(shè)置不同的延時時間，按傳感器角度信號θ值執(zhí)行相應(yīng)動作。當5 s內(nèi)θ值誤差角度Δθ=15°，即-15°≤Δθ≤15°時，認為風(fēng)機位于主風(fēng)向而不偏航;當Δθ>25°時，將延時20 s進行偏航輸出;當15°<Δθ<25°時，將延時50 s進行偏航輸出;當Δθ<15°時，將延時90 s進行偏航輸出，從而實現(xiàn)大角度快速動作，小角度精確檢測動作[1]。另外，Δθ>180°表明風(fēng)機相對風(fēng)向標有一個向右偏離的夾角，應(yīng)執(zhí)行逆時針偏轉(zhuǎn);Δθ<180°表明風(fēng)機相對風(fēng)向標有一個向左偏離的夾角，應(yīng)執(zhí)行順時針偏轉(zhuǎn)。

（3）自動解纜。風(fēng)向在隨機變化過程中，機艙持續(xù)同向跟風(fēng)可能導(dǎo)致高壓線纜絞纏，需根據(jù)實際運行情況解纜。風(fēng)向在-180°～180°變化，偏航角度在-1 080°～1 080°調(diào)節(jié)變化，在進行解纜控制時，應(yīng)時刻跟蹤偏航角轉(zhuǎn)過的角度。例如當風(fēng)向角為-10°時，需計算此時偏航角度，假設(shè)此刻偏航角為1 000°，則偏航角與風(fēng)向角之差為1 010°，根據(jù)程序判斷差值大于900°，因此利用差值減去1 080°，得出執(zhí)行偏航角度應(yīng)為-70°，由此可知風(fēng)機需要執(zhí)行左偏解纜。

（4）手動偏航。檢測到手動偏航啟停信號時，清零其他運行指令狀態(tài)，讀取手動信號，打開制動器，手動操作。手動偏航和自動相關(guān)程序相互獨立，程序嵌套在主程序中。

3.2? ? 偏航指令的優(yōu)先級

偏航系統(tǒng)可以在多種指令形式下執(zhí)行動作，除了上述提到的偏航和解纜外，還有背風(fēng)、控制面板手動運行、機艙左右開關(guān)偏航、中控遠程偏航、中控偏航鎖定等指令。為避免手動偏航導(dǎo)致紐纜，超過設(shè)定最長偏航時間時，風(fēng)機將自行停止偏航。偏航指令優(yōu)先級排序：就地開關(guān)、控制面板手動、中控遠程、自動側(cè)風(fēng)、自動解纜、自動對風(fēng)。

4 偏航仿真系統(tǒng)控制策略分析

偏航控制策略有線性化、變結(jié)構(gòu)、魯棒、自適應(yīng)和模糊控制。線性化控制基于比例模型，在不同輸入風(fēng)速下始終以最優(yōu)尖速比運行，在風(fēng)速變化迅速時調(diào)節(jié)相對滯后，往往僅能滿足正常工況下的要求。變結(jié)構(gòu)控制憑借響應(yīng)速度的優(yōu)勢在風(fēng)電領(lǐng)域發(fā)展較好，其對風(fēng)能的擾動特性具有良好的適應(yīng)能力，結(jié)構(gòu)模型確定的情況下，對系統(tǒng)的執(zhí)行速度快，反映較直接，在結(jié)構(gòu)參數(shù)瞬變時，控制過程較穩(wěn)定;在參量變化范圍寬、隨動性干擾的情況下，其能快速且直接控制偏差問題。自適應(yīng)控制經(jīng)傳感器魯棒控制可同時完成對若干個運行參數(shù)的調(diào)節(jié)和控制，尤其是在模型搭建過程中已有偏差存在時，可根據(jù)運行和控制器監(jiān)測反饋參數(shù)及時計算，易于控制變量的增益[2]。模糊控制將成熟的理論及完美的控制方法轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂撇呗?，無須精確建模，便能消除擾動，實現(xiàn)穩(wěn)定控制的目的[3]。因風(fēng)能的擾動和隨機性，實際工況建模較為困難?？紤]到實驗室環(huán)境下條件較好，輸入?yún)?shù)和數(shù)據(jù)便于控制，風(fēng)速、風(fēng)向值可采取給定的線性模式進行控制，同時為了簡化裝置和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用簡明且直接的線性化運行策略。當然，在需要對快速變化的風(fēng)速、風(fēng)向進行仿真模擬時，可采用更加智能的控制策略。

5 偏航仿真系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

偏航仿真系統(tǒng)根據(jù)預(yù)測分析與配合控制環(huán)節(jié)調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)向，其性能的好壞與發(fā)電及風(fēng)能吸收系數(shù)Cp值關(guān)系密切，偏航過程中承受隨機荷載，對偏航系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高。在本仿真裝置中，偏航系統(tǒng)的負荷較小，近似空載運行，偏航過程中沒有偏航阻尼，偏航圓盤完全由偏航電機驅(qū)動控制，由開關(guān)或電位器模擬數(shù)字和模擬量信號，控制精度不高，與設(shè)計值相比偏航誤差為15°。為提高偏航的抗沖擊干擾性能和準確度，在偏航程序中增加了減少偏航執(zhí)行機構(gòu)滯后程序。另外，系統(tǒng)安裝過程中要對輪系構(gòu)件進行軸向限位，特別要注意偏航減速器齒輪與偏航模擬盤齒輪的嚙合情況，對偏航減速器與金屬轉(zhuǎn)盤的碰撞力進行分析，以防3臺偏航減速器運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生碰撞與干擾，增加齒輪機構(gòu)的摩擦力和碰撞力。

6 結(jié)語

對風(fēng)機偏航系統(tǒng)的模擬仿真系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計與實現(xiàn)，給學(xué)習(xí)和研究風(fēng)電偏航系統(tǒng)的學(xué)生提供了實物平臺，為風(fēng)電從業(yè)人員提升技能和故障分析能力奠定了基礎(chǔ)，也為設(shè)備及系統(tǒng)改進創(chuàng)造了一定的條件。

[參考文獻]

[1] 劉莉莉，段斌，李晶，等.基于IEC 61850的風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)安全訪問控制模型設(shè)計[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（1）：76-81.

[2] 高峰，凌新梅，劉強.基于SCADA數(shù)據(jù)的風(fēng)電機組偏航控制參數(shù)優(yōu)化[J].太陽能學(xué)報，2019，40（6）：1739-1746.

[3] 王欣，吳根勇，潘東浩，等.基于運行數(shù)據(jù)的風(fēng)電機組偏航優(yōu)化控制方法研究[J].可再生能源，2016，34（3）：413-420.

收稿日期：2021-02-26

作者簡介：高海濤（1983—），男，四川達州人，講師，工程師，從事電氣工程（風(fēng)力發(fā)電）領(lǐng)域教育教學(xué)及項目工作。