湍流風(fēng)況下的風(fēng)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)*

毛 江，蔡義鈞，張斯翔，張冬梅，黃 虎，鄧博宇

(1.中國長江三峽集團(tuán)有限公司，北京 100038；2.太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024)

0 引言

隨著高風(fēng)速、低湍流理想風(fēng)場的開發(fā)殆盡，風(fēng)機(jī)朝著大型化、低風(fēng)速方向?qū)で蟀l(fā)展，在此背景下，風(fēng)機(jī)能夠快速地響應(yīng)湍流風(fēng)速和風(fēng)向的變化，最大限度地捕獲風(fēng)能，特別是提高小風(fēng)期間風(fēng)電機(jī)組的平均利用小時(shí)數(shù)，從而提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量，是當(dāng)前面臨的重要問題[1]。

偏航系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分,偏航系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對風(fēng)、偏航解纜兩個(gè)功能。為了充分利用風(fēng)能資源、提高機(jī)組的發(fā)電性能，優(yōu)化偏航系統(tǒng)的控制策略是最直接有效的方法之一[2-4]。

本文對湍流風(fēng)況下偏航風(fēng)速區(qū)間進(jìn)行了劃分、優(yōu)化了偏航啟動(dòng)和停止控制策略、優(yōu)化了低風(fēng)速下偏航條件的判斷，從而達(dá)到提高控制系統(tǒng)響應(yīng)速度和可靠性的目的。

1 偏航系統(tǒng)

1.1 偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)向是不斷變化的，通過偏航系統(tǒng)使風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙能夠跟隨風(fēng)向不斷改變方向來始終保持迎風(fēng)狀態(tài)，從而可以最大效率地捕獲風(fēng)能。對于并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組來說，偏航系統(tǒng)通常都采用齒輪驅(qū)動(dòng)形式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，四臺(tái)偏航電機(jī)與偏航內(nèi)齒圈嚙合，偏航內(nèi)齒圈與塔架固定在一起，偏航外圈與機(jī)艙固定,偏航電機(jī)也固定在機(jī)艙上，偏航時(shí)偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏航軸承內(nèi)圈輸出轉(zhuǎn)矩，偏航內(nèi)齒圈通過與偏航外圈的嚙合，帶動(dòng)整個(gè)機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到機(jī)艙偏航對風(fēng)的目的。

圖1 偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 偏航原理

由空氣動(dòng)力學(xué)可知，風(fēng)電機(jī)組從風(fēng)中所能獲取的能量[5]可表示為：

(1)

其中：P為風(fēng)機(jī)實(shí)際得到的有功功率輸出;ρ為空氣密度;S為風(fēng)輪掃掠面積;v為機(jī)組風(fēng)速;Cp為風(fēng)能利用系數(shù)。

當(dāng)機(jī)艙與風(fēng)向偏離出現(xiàn)θ偏航誤差角度時(shí)，風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速將從原來的v變成vcosθ，從而降低了風(fēng)機(jī)從風(fēng)中捕獲的能量。此時(shí)，偏航控制系統(tǒng)就會(huì)控制偏航驅(qū)動(dòng)裝置中的四臺(tái)偏航電機(jī)向當(dāng)前風(fēng)向同步運(yùn)轉(zhuǎn)，直到機(jī)艙位置與風(fēng)向儀測得的風(fēng)向相一致。機(jī)艙可以順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。

2 偏航對風(fēng)控制策略優(yōu)化

2.1 湍流風(fēng)況下偏航風(fēng)速區(qū)間劃分

根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)速與風(fēng)機(jī)能量的關(guān)系，對偏航對風(fēng)控制策略進(jìn)行了改進(jìn)，根據(jù)湍流風(fēng)況的特點(diǎn)，將偏航對風(fēng)分成小風(fēng)偏航對風(fēng)和大風(fēng)偏航對風(fēng)兩種偏航控制策略。

風(fēng)速在6 m/s以下為小風(fēng)區(qū)間，在該區(qū)間風(fēng)向變化比較大，根據(jù)這一特點(diǎn)，采用30 s風(fēng)向相對機(jī)艙角度，偏航啟動(dòng)對風(fēng)閥值設(shè)置為16°，偏航停止對風(fēng)閥值設(shè)置為2°左右。

風(fēng)速在7 m/s以上為大風(fēng)區(qū)間，該區(qū)間是風(fēng)電機(jī)組主要發(fā)電區(qū)間，且在這個(gè)區(qū)間風(fēng)向變化不會(huì)太大，根據(jù)這一特點(diǎn)，采用30 s風(fēng)向相對機(jī)艙角度，偏航啟動(dòng)對風(fēng)誤差閥值設(shè)置為8°，偏航停止對風(fēng)閥值設(shè)置成2°左右。當(dāng)風(fēng)速超過了額定風(fēng)速，風(fēng)電機(jī)組已處于滿發(fā)狀態(tài)，風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)向偏航誤差角度將幾乎影響不到風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量，但是會(huì)影響到機(jī)組的整機(jī)載荷。根據(jù)這一特點(diǎn)，采用30 s風(fēng)向相對機(jī)艙角度，偏航啟動(dòng)對風(fēng)閥值設(shè)置為8°，偏航停止對風(fēng)閥值設(shè)置為4°左右。

風(fēng)速在3 m/s附近，風(fēng)機(jī)從風(fēng)中獲得的能量較小，且風(fēng)向不穩(wěn)定、易發(fā)生較大變化，此時(shí)若偏航啟動(dòng)后30 s平均風(fēng)速降低到3 m/s以下，會(huì)導(dǎo)致偏航馬上結(jié)束，然后風(fēng)速上升到3 m/s以上，如果此時(shí)30 s平均風(fēng)向大于40°(立即啟動(dòng)偏航角度)，偏航又會(huì)馬上啟動(dòng)，如此往復(fù)，將會(huì)造成設(shè)備頻繁啟動(dòng)，降低設(shè)備的可靠性及使用壽命。因此，需要優(yōu)化低風(fēng)速下允許偏航的判斷條件，針對這一問題將在下文中進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.2 優(yōu)化偏航啟動(dòng)和停止控制策略

在偏航過程中，偏航的目標(biāo)是30 s平均風(fēng)向在2°以內(nèi)就停止。但是由于風(fēng)向標(biāo)的硬件特性，導(dǎo)致風(fēng)向標(biāo)容易出現(xiàn)類似3°→0°→359°的變化趨勢，導(dǎo)致程序誤認(rèn)為偏航已經(jīng)到另外一個(gè)方向(比如風(fēng)向在左邊，偏航到了右邊)，偏航需要停止，而從3 s平均風(fēng)向和30 s平均風(fēng)向來看，此時(shí)還未對風(fēng)正確。

為了避免偏航運(yùn)行過程中由于風(fēng)向的頻繁變化導(dǎo)致的偏航方向指令跳變，及其引起的偏航停止又立即啟動(dòng)的情況出現(xiàn)，優(yōu)化了偏航啟動(dòng)邏輯和停止邏輯的判斷時(shí)機(jī)。在偏航運(yùn)行過程中，程序只運(yùn)行停止邏輯，偏航停止控制策略如圖2所示。在偏航停止過程中，程序只運(yùn)行啟動(dòng)邏輯，偏航啟動(dòng)控制策略如圖3所示。

圖2 偏航停止控制策略

在風(fēng)速小于6 m/s時(shí)，機(jī)組獲得風(fēng)能較小，且風(fēng)向不穩(wěn)定，延時(shí)設(shè)定為120 s，偏航啟動(dòng)風(fēng)向誤差是16°，有效地減少了偏航時(shí)間和次數(shù)，降低了偏航設(shè)備損耗。

在風(fēng)速大于7 m/s時(shí)，風(fēng)向變化不會(huì)太大，設(shè)定延時(shí)為60 s，偏航啟動(dòng)風(fēng)向誤差是8°，因?yàn)榇箫L(fēng)風(fēng)向偏差不能差太多，如果風(fēng)電機(jī)組不及時(shí)偏航對風(fēng)，會(huì)影響到機(jī)組的整機(jī)載荷。

風(fēng)速在6 m/s～7 m/s之間時(shí)，保持上一個(gè)偏航控制模式不變。

優(yōu)化后，在偏航運(yùn)行過程中程序只運(yùn)行停止邏輯，在偏航停止時(shí)程序只運(yùn)行啟動(dòng)判斷邏輯。這樣就避免了在偏航運(yùn)行過程中由于風(fēng)向的變化導(dǎo)致的偏航方向指令跳變的情況，從而避免了偏航立刻停止然后又啟動(dòng)的情況出現(xiàn)。

2.3 優(yōu)化低風(fēng)速對于偏航停止的影響

在小風(fēng)情況，30 s平均風(fēng)向在3 m/s附近不穩(wěn)定時(shí)，若偏航啟動(dòng)后30 s平均風(fēng)速降低到3 m/s以下會(huì)導(dǎo)致偏航馬上結(jié)束，然后風(fēng)速上升到3 m/s以上，如果此時(shí)30 s平均風(fēng)向大于40°(立即啟動(dòng)偏航角度)，偏航又會(huì)馬上啟動(dòng)，如此往復(fù)。

為了避免這種低風(fēng)速引起的偏航頻繁啟?，F(xiàn)象，采用的優(yōu)化控制策略如圖4所示，當(dāng)風(fēng)速大于3 m/s計(jì)時(shí)器加計(jì)數(shù)，當(dāng)風(fēng)速小于3 m/s計(jì)時(shí)器減計(jì)數(shù)。

圖4 低風(fēng)速不允許偏航判斷邏輯

這里引入開關(guān)量V_NoYawWind(風(fēng)速低不允許偏航)，計(jì)時(shí)器加到60 s時(shí)，說明風(fēng)況滿足并允許偏航動(dòng)作，V_NoYawWind置0；計(jì)時(shí)器減到0 s時(shí)，說明風(fēng)速過低不允許偏航動(dòng)作，V_NoYawWind置1；若計(jì)時(shí)器介于0 s～60 s之間，V_NoYawWind值保持不變。采用上述控制策略，在偏航啟動(dòng)后，風(fēng)速突然降低，那么本次偏航動(dòng)作不會(huì)被打斷，將執(zhí)行完本次動(dòng)作，此種情況下最多偏航60 s。低風(fēng)速判斷時(shí)序圖如圖5所示。

圖5 低風(fēng)速不允許偏航判斷時(shí)序圖

3 優(yōu)化后測試及結(jié)果分析

3.1 偏航風(fēng)向分布結(jié)果

對優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)和未優(yōu)化的風(fēng)機(jī)進(jìn)行了10天的風(fēng)向統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù),在風(fēng)機(jī)發(fā)電狀態(tài)下，針對偏航停止時(shí)刻的風(fēng)向與機(jī)艙夾角，每20 min取樣一個(gè)3 s相對風(fēng)向，每隔1°為一個(gè)區(qū)間。

優(yōu)化前后偏航風(fēng)向分布對比如圖6所示,偏航相對風(fēng)向分布在0°附近更加集中，提升效果明顯。表明新的偏航算法降低了偏航角度誤差。

圖6 優(yōu)化前、后偏航風(fēng)向分布對比

3.2 偏航啟動(dòng)間隔和偏航電機(jī)最小時(shí)間

優(yōu)化前后偏航激活時(shí)間和最小偏航間隔如圖7所示，對比優(yōu)化前和優(yōu)化后偏航激活時(shí)間(Last Cw/CcwActive Time)和最小偏航間隔(Min Yaw Interval)，可以看出優(yōu)化后偏航激活時(shí)間降低，偏航時(shí)間優(yōu)化到正常范圍，且最小偏航間隔時(shí)間提高，表明沒有出現(xiàn)頻繁的啟停偏航問題。優(yōu)化后最小偏航角度(Min Yaw Angle)較小，表明優(yōu)化后后偏航確實(shí)動(dòng)作范圍小、時(shí)間短，符合預(yù)期。

圖7 優(yōu)化前、后偏航激活時(shí)間和最小偏航間隔

4 結(jié)論

該控制系統(tǒng)已在多個(gè)風(fēng)電場得以應(yīng)用。實(shí)踐表明，優(yōu)化后偏航相對風(fēng)向在0°附近更加集中，偏航電機(jī)兩次啟動(dòng)時(shí)間間隔更大，偏航電機(jī)運(yùn)行最小時(shí)間變長，提升效果明顯。表明新的偏航算法，降低了偏航角度誤差,有效地減少了偏航次數(shù)與偏航時(shí)間，從而降低了偏航自耗電量，提高了風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電性能，降低了風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)部件故障率。該控制策略可以直接應(yīng)用于實(shí)際工程領(lǐng)域。