基于PID的偏航策略

摘 要 偏航系統是風力發電機組特有的位置隨動伺服系統，也稱為對風裝置。偏航系統的功能有兩個：一是與控制系統相互配合，使機艙軸線能夠快速平穩地對準風向，以便獲得最大的風能；二是當風力發電機組由于偏航作用，當機艙至塔底引出電纜到達設定的扭纜角度后，自動解除纏繞。本文采用PID算法來實現機艙在最短時間內對風，以獲得最大風能，提高工作效率。文章首先從偏航的風向信號、風速信號、停止信號的條件做了詳細介紹，然后給出了偏航指令輸出控制的條件，最后給出了解纜時需要滿足的判斷條件。

關鍵詞 PID；偏航； 解纜

中圖分類號：TM6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）15-0000-00

1 基于PID的偏航策略設計思想

風力機偏航的原理是通過風傳感器檢測風向、風速，并將檢測到的風向信號送到微處理器（PLC），微處理器（PLC）計算出風向信號與機艙位置的夾角，并發出一定的信號給偏航驅動電機和齒輪箱，從而確定是否需要調整機艙方向以及朝哪個方向調整能盡快對準風向，盡可能的減少風能損失，增加有效工作時間。

偏航控制本身對響應速度和控制精度并沒有嚴格的要求，但是在對風過程中風力發電機組是作為一個整體轉動的，具有很大的轉動慣量，因此，為了減小瞬時的大風對偏航系統的影響，從穩定性考慮，需要偏航系統的偏航方向、偏航角度、停止信號都嚴格明確，并且需要足夠的阻尼。另外，偏航軸承的巨大齒輪環安裝在機艙下部，齒輪環與偏航電機的齒輪相嚙合，因此，為了保證偏航的平穩，一般采用2個或2個以上的偏航電機同時帶動偏航軸承轉動。對于偏航信號的判斷主要分偏航方向判斷、偏航指令輸出控制判斷、解纜方向判斷三個方面詳細說明。

2 偏航方向判斷

偏航方向通常包括向左和向右偏航，其判斷控制邏輯如圖1所示。當偏航停止信號為TRUE時，偏航方向信號復位；當偏航停止信號為FALSE時，根據90秒和30秒內的平均風向來判斷需要偏航的方向。90秒和30秒內的平均風向用來互相校驗。

偏航停止信號為FALSE時，選擇90 s內平均風向，作為輸出；為TURE時，選擇180.0作為輸出。當90 s的平均風向小于160.0且持續時間大于30 s或者90 s的平均風向小于170.0且持續時間大于4.5 s時，RS1的SET置位，執行左偏航信號輸出。同理，當90 s的平均風向大于180.0且持續時間大于4.5 s或者90 s的平均風向大于195.0且持續時間大于30 s時，RS2的SET置位，執行右偏航信號輸出。當偏航信號停止時，左偏航和右偏航同時停止。在進行左偏航過程中，當90 s的平均風向大于172.0且持續時間大于4s或者有來自其他軟件的偏航停止信號，RS1的RESET置位，停止左偏航。同理，在進行右偏航過程中，當90 s的平均風向小于180.0且持續時間大于4 s或者有來自其他軟件的偏航停止信號，RS2的RESET置位，停止右偏航。

其中，偏航停止信號的控制邏輯判斷為：當出現偏航機構故障、解纜操作激活、處于初始化模式、風向標故障、液壓系統故障、參觀按鈕或維護模式按鈕開、50 s內平均風速持續小于5 s，這些情況中的一種發生時，偏航停止信號為TRUE。

3 偏航指令

偏航指令輸出控制包括偏航系統允許液壓閘釋放信號、左偏航指令輸出和右偏航指令輸出。首先控制液壓閘釋放，延遲一段時間后才進行偏航操作，當偏航操作完成后，偏航液壓閘制動后停止偏航。同時，偏航指令的輸出解纜和維護模式下的偏航操作。當存在偏航機構、安全系統解纜開關等故障時，則停止偏航操作。

當解纜左偏航為TURE時，或者左偏航信號為TURE時，或者維護模式左偏航信號為TURE時，且沒有來自右偏航的任何信號，也沒有來自故障系統的任何信號，且時間延遲10s，則執行左偏航動作；同理，當解纜右偏航、右偏航信號或維護模式右偏航信號其中一項為TURE時，且沒有來自左偏航的任何信號，也沒有來自故障系統的任何信號，且時間延遲10 s，則執行右偏航動作。這兩種情況下，在延遲的10 s內執行打開偏航電機電磁剎車，降低偏航系統剎車壓力。

4 解纜方向判斷

在PLC主控中，解纜實際上也可以看做一種偏航操作，只不過在解纜過程是由特殊事件觸發，并有其自有特點。判斷解纜方向的控制邏輯如圖2所示，其中虛線框內的控制目的是為了防止解纜死鎖。當前的偏航位置大于600°或小于-600°時進行解纜動作。

當扭纜角度大于600°時，且風機處于正常運行模式，RS1的SET置位，執行解纜右偏航；機艙與風向的夾角小于27.0時（或者紐纜角度小于360.0），或者軟件復位信號持續5s，則RS1的RESET置位，停止解纜右偏航。當扭纜角度小于-600°時，且風機處于正常運行模式，RS2的SET置位，執行解纜左偏航；機艙與風向的夾角小于27.0時（或者紐纜角度小于-360.0），或者軟件復位信號持續5 s，則RS2的RESET置位，停止解纜左偏航。解纜左偏航和解纜右偏航的停止信號條件是相同的。

5 前景展望

本文采用PID的偏航策略設計了偏航系統的左/右偏航方向、偏航指令輸出及解纜左/右偏航方向判斷，考慮實際風向信號的特點，設置了多種可能的邏輯條件，對每一種情況下的邏輯圖都做出了詳細說明。目前，國內真正用于實際風場的控制方法還是傳統PID控制方法，因為其靜態穩定性好，可靠性高，響應快。但鑒于現代多種智能控制方法的快速發展和應用，如模糊控制、神經網絡控制、專家控制方法等都很成熟，且有各自的優勢，比如動態性能好、無殘差等，所以多種智能方法相結合用于風電機組偏航控制系統將是未來發展的趨勢。

參考文獻

[1]高文元，馬小英，崔鵬，王加偉，王現青.MW級風力發電機組的偏航系統控制策略[J].科學技術與工程，2010（02）.

[2]張嘉英，王文蘭，蔡永剛.風力發電機組偏航控制系統[J].兵工自動化，2009（11）.

[3]高文元，馬小英，王現青，王加偉.基于PSCAD的雙饋風力發電機偏航控制的研究[J].甘肅科技，2010（02）.

[4]宋建軍，張揚，張長安，楊豐.基于模糊控制的風力發電機組偏航系統研究[J].電網與清潔能源，2011（07）.

[5]樸海國，王志新.風電機組偏航Fuzzy-PID合成控制系統仿真[J].電工技術學報，2009（03）.

作者簡介

姜攀（1982-），女，山東煙臺人，北京鐵路電氣化學校，助講。endprint

摘 要 偏航系統是風力發電機組特有的位置隨動伺服系統，也稱為對風裝置。偏航系統的功能有兩個：一是與控制系統相互配合，使機艙軸線能夠快速平穩地對準風向，以便獲得最大的風能；二是當風力發電機組由于偏航作用，當機艙至塔底引出電纜到達設定的扭纜角度后，自動解除纏繞。本文采用PID算法來實現機艙在最短時間內對風，以獲得最大風能，提高工作效率。文章首先從偏航的風向信號、風速信號、停止信號的條件做了詳細介紹，然后給出了偏航指令輸出控制的條件，最后給出了解纜時需要滿足的判斷條件。

關鍵詞 PID；偏航； 解纜

中圖分類號：TM6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）15-0000-00

1 基于PID的偏航策略設計思想

風力機偏航的原理是通過風傳感器檢測風向、風速，并將檢測到的風向信號送到微處理器（PLC），微處理器（PLC）計算出風向信號與機艙位置的夾角，并發出一定的信號給偏航驅動電機和齒輪箱，從而確定是否需要調整機艙方向以及朝哪個方向調整能盡快對準風向，盡可能的減少風能損失，增加有效工作時間。

偏航控制本身對響應速度和控制精度并沒有嚴格的要求，但是在對風過程中風力發電機組是作為一個整體轉動的，具有很大的轉動慣量，因此，為了減小瞬時的大風對偏航系統的影響，從穩定性考慮，需要偏航系統的偏航方向、偏航角度、停止信號都嚴格明確，并且需要足夠的阻尼。另外，偏航軸承的巨大齒輪環安裝在機艙下部，齒輪環與偏航電機的齒輪相嚙合，因此，為了保證偏航的平穩，一般采用2個或2個以上的偏航電機同時帶動偏航軸承轉動。對于偏航信號的判斷主要分偏航方向判斷、偏航指令輸出控制判斷、解纜方向判斷三個方面詳細說明。

2 偏航方向判斷

偏航方向通常包括向左和向右偏航，其判斷控制邏輯如圖1所示。當偏航停止信號為TRUE時，偏航方向信號復位；當偏航停止信號為FALSE時，根據90秒和30秒內的平均風向來判斷需要偏航的方向。90秒和30秒內的平均風向用來互相校驗。

偏航停止信號為FALSE時，選擇90 s內平均風向，作為輸出；為TURE時，選擇180.0作為輸出。當90 s的平均風向小于160.0且持續時間大于30 s或者90 s的平均風向小于170.0且持續時間大于4.5 s時，RS1的SET置位，執行左偏航信號輸出。同理，當90 s的平均風向大于180.0且持續時間大于4.5 s或者90 s的平均風向大于195.0且持續時間大于30 s時，RS2的SET置位，執行右偏航信號輸出。當偏航信號停止時，左偏航和右偏航同時停止。在進行左偏航過程中，當90 s的平均風向大于172.0且持續時間大于4s或者有來自其他軟件的偏航停止信號，RS1的RESET置位，停止左偏航。同理，在進行右偏航過程中，當90 s的平均風向小于180.0且持續時間大于4 s或者有來自其他軟件的偏航停止信號，RS2的RESET置位，停止右偏航。

其中，偏航停止信號的控制邏輯判斷為：當出現偏航機構故障、解纜操作激活、處于初始化模式、風向標故障、液壓系統故障、參觀按鈕或維護模式按鈕開、50 s內平均風速持續小于5 s，這些情況中的一種發生時，偏航停止信號為TRUE。

3 偏航指令

偏航指令輸出控制包括偏航系統允許液壓閘釋放信號、左偏航指令輸出和右偏航指令輸出。首先控制液壓閘釋放，延遲一段時間后才進行偏航操作，當偏航操作完成后，偏航液壓閘制動后停止偏航。同時，偏航指令的輸出解纜和維護模式下的偏航操作。當存在偏航機構、安全系統解纜開關等故障時，則停止偏航操作。

當解纜左偏航為TURE時，或者左偏航信號為TURE時，或者維護模式左偏航信號為TURE時，且沒有來自右偏航的任何信號，也沒有來自故障系統的任何信號，且時間延遲10s，則執行左偏航動作；同理，當解纜右偏航、右偏航信號或維護模式右偏航信號其中一項為TURE時，且沒有來自左偏航的任何信號，也沒有來自故障系統的任何信號，且時間延遲10 s，則執行右偏航動作。這兩種情況下，在延遲的10 s內執行打開偏航電機電磁剎車，降低偏航系統剎車壓力。

4 解纜方向判斷

在PLC主控中，解纜實際上也可以看做一種偏航操作，只不過在解纜過程是由特殊事件觸發，并有其自有特點。判斷解纜方向的控制邏輯如圖2所示，其中虛線框內的控制目的是為了防止解纜死鎖。當前的偏航位置大于600°或小于-600°時進行解纜動作。

當扭纜角度大于600°時，且風機處于正常運行模式，RS1的SET置位，執行解纜右偏航；機艙與風向的夾角小于27.0時（或者紐纜角度小于360.0），或者軟件復位信號持續5s，則RS1的RESET置位，停止解纜右偏航。當扭纜角度小于-600°時，且風機處于正常運行模式，RS2的SET置位，執行解纜左偏航；機艙與風向的夾角小于27.0時（或者紐纜角度小于-360.0），或者軟件復位信號持續5 s，則RS2的RESET置位，停止解纜左偏航。解纜左偏航和解纜右偏航的停止信號條件是相同的。

5 前景展望

本文采用PID的偏航策略設計了偏航系統的左/右偏航方向、偏航指令輸出及解纜左/右偏航方向判斷，考慮實際風向信號的特點，設置了多種可能的邏輯條件，對每一種情況下的邏輯圖都做出了詳細說明。目前，國內真正用于實際風場的控制方法還是傳統PID控制方法，因為其靜態穩定性好，可靠性高，響應快。但鑒于現代多種智能控制方法的快速發展和應用，如模糊控制、神經網絡控制、專家控制方法等都很成熟，且有各自的優勢，比如動態性能好、無殘差等，所以多種智能方法相結合用于風電機組偏航控制系統將是未來發展的趨勢。

參考文獻

[1]高文元，馬小英，崔鵬，王加偉，王現青.MW級風力發電機組的偏航系統控制策略[J].科學技術與工程，2010（02）.

[2]張嘉英，王文蘭，蔡永剛.風力發電機組偏航控制系統[J].兵工自動化，2009（11）.

[3]高文元，馬小英，王現青，王加偉.基于PSCAD的雙饋風力發電機偏航控制的研究[J].甘肅科技，2010（02）.

[4]宋建軍，張揚，張長安，楊豐.基于模糊控制的風力發電機組偏航系統研究[J].電網與清潔能源，2011（07）.

[5]樸海國，王志新.風電機組偏航Fuzzy-PID合成控制系統仿真[J].電工技術學報，2009（03）.

作者簡介

姜攀（1982-），女，山東煙臺人，北京鐵路電氣化學校，助講。endprint

摘 要 偏航系統是風力發電機組特有的位置隨動伺服系統，也稱為對風裝置。偏航系統的功能有兩個：一是與控制系統相互配合，使機艙軸線能夠快速平穩地對準風向，以便獲得最大的風能；二是當風力發電機組由于偏航作用，當機艙至塔底引出電纜到達設定的扭纜角度后，自動解除纏繞。本文采用PID算法來實現機艙在最短時間內對風，以獲得最大風能，提高工作效率。文章首先從偏航的風向信號、風速信號、停止信號的條件做了詳細介紹，然后給出了偏航指令輸出控制的條件，最后給出了解纜時需要滿足的判斷條件。

關鍵詞 PID；偏航； 解纜

中圖分類號：TM6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）15-0000-00

1 基于PID的偏航策略設計思想

風力機偏航的原理是通過風傳感器檢測風向、風速，并將檢測到的風向信號送到微處理器（PLC），微處理器（PLC）計算出風向信號與機艙位置的夾角，并發出一定的信號給偏航驅動電機和齒輪箱，從而確定是否需要調整機艙方向以及朝哪個方向調整能盡快對準風向，盡可能的減少風能損失，增加有效工作時間。

偏航控制本身對響應速度和控制精度并沒有嚴格的要求，但是在對風過程中風力發電機組是作為一個整體轉動的，具有很大的轉動慣量，因此，為了減小瞬時的大風對偏航系統的影響，從穩定性考慮，需要偏航系統的偏航方向、偏航角度、停止信號都嚴格明確，并且需要足夠的阻尼。另外，偏航軸承的巨大齒輪環安裝在機艙下部，齒輪環與偏航電機的齒輪相嚙合，因此，為了保證偏航的平穩，一般采用2個或2個以上的偏航電機同時帶動偏航軸承轉動。對于偏航信號的判斷主要分偏航方向判斷、偏航指令輸出控制判斷、解纜方向判斷三個方面詳細說明。

2 偏航方向判斷

偏航方向通常包括向左和向右偏航，其判斷控制邏輯如圖1所示。當偏航停止信號為TRUE時，偏航方向信號復位；當偏航停止信號為FALSE時，根據90秒和30秒內的平均風向來判斷需要偏航的方向。90秒和30秒內的平均風向用來互相校驗。

偏航停止信號為FALSE時，選擇90 s內平均風向，作為輸出；為TURE時，選擇180.0作為輸出。當90 s的平均風向小于160.0且持續時間大于30 s或者90 s的平均風向小于170.0且持續時間大于4.5 s時，RS1的SET置位，執行左偏航信號輸出。同理，當90 s的平均風向大于180.0且持續時間大于4.5 s或者90 s的平均風向大于195.0且持續時間大于30 s時，RS2的SET置位，執行右偏航信號輸出。當偏航信號停止時，左偏航和右偏航同時停止。在進行左偏航過程中，當90 s的平均風向大于172.0且持續時間大于4s或者有來自其他軟件的偏航停止信號，RS1的RESET置位，停止左偏航。同理，在進行右偏航過程中，當90 s的平均風向小于180.0且持續時間大于4 s或者有來自其他軟件的偏航停止信號，RS2的RESET置位，停止右偏航。

其中，偏航停止信號的控制邏輯判斷為：當出現偏航機構故障、解纜操作激活、處于初始化模式、風向標故障、液壓系統故障、參觀按鈕或維護模式按鈕開、50 s內平均風速持續小于5 s，這些情況中的一種發生時，偏航停止信號為TRUE。

3 偏航指令

偏航指令輸出控制包括偏航系統允許液壓閘釋放信號、左偏航指令輸出和右偏航指令輸出。首先控制液壓閘釋放，延遲一段時間后才進行偏航操作，當偏航操作完成后，偏航液壓閘制動后停止偏航。同時，偏航指令的輸出解纜和維護模式下的偏航操作。當存在偏航機構、安全系統解纜開關等故障時，則停止偏航操作。

當解纜左偏航為TURE時，或者左偏航信號為TURE時，或者維護模式左偏航信號為TURE時，且沒有來自右偏航的任何信號，也沒有來自故障系統的任何信號，且時間延遲10s，則執行左偏航動作；同理，當解纜右偏航、右偏航信號或維護模式右偏航信號其中一項為TURE時，且沒有來自左偏航的任何信號，也沒有來自故障系統的任何信號，且時間延遲10 s，則執行右偏航動作。這兩種情況下，在延遲的10 s內執行打開偏航電機電磁剎車，降低偏航系統剎車壓力。

4 解纜方向判斷

在PLC主控中，解纜實際上也可以看做一種偏航操作，只不過在解纜過程是由特殊事件觸發，并有其自有特點。判斷解纜方向的控制邏輯如圖2所示，其中虛線框內的控制目的是為了防止解纜死鎖。當前的偏航位置大于600°或小于-600°時進行解纜動作。

當扭纜角度大于600°時，且風機處于正常運行模式，RS1的SET置位，執行解纜右偏航；機艙與風向的夾角小于27.0時（或者紐纜角度小于360.0），或者軟件復位信號持續5s，則RS1的RESET置位，停止解纜右偏航。當扭纜角度小于-600°時，且風機處于正常運行模式，RS2的SET置位，執行解纜左偏航；機艙與風向的夾角小于27.0時（或者紐纜角度小于-360.0），或者軟件復位信號持續5 s，則RS2的RESET置位，停止解纜左偏航。解纜左偏航和解纜右偏航的停止信號條件是相同的。

5 前景展望

本文采用PID的偏航策略設計了偏航系統的左/右偏航方向、偏航指令輸出及解纜左/右偏航方向判斷，考慮實際風向信號的特點，設置了多種可能的邏輯條件，對每一種情況下的邏輯圖都做出了詳細說明。目前，國內真正用于實際風場的控制方法還是傳統PID控制方法，因為其靜態穩定性好，可靠性高，響應快。但鑒于現代多種智能控制方法的快速發展和應用，如模糊控制、神經網絡控制、專家控制方法等都很成熟，且有各自的優勢，比如動態性能好、無殘差等，所以多種智能方法相結合用于風電機組偏航控制系統將是未來發展的趨勢。

參考文獻

[1]高文元，馬小英，崔鵬，王加偉，王現青.MW級風力發電機組的偏航系統控制策略[J].科學技術與工程，2010（02）.

[2]張嘉英，王文蘭，蔡永剛.風力發電機組偏航控制系統[J].兵工自動化，2009（11）.

[3]高文元，馬小英，王現青，王加偉.基于PSCAD的雙饋風力發電機偏航控制的研究[J].甘肅科技，2010（02）.

[4]宋建軍，張揚，張長安，楊豐.基于模糊控制的風力發電機組偏航系統研究[J].電網與清潔能源，2011（07）.

[5]樸海國，王志新.風電機組偏航Fuzzy-PID合成控制系統仿真[J].電工技術學報，2009（03）.

作者簡介

姜攀（1982-），女，山東煙臺人，北京鐵路電氣化學校，助講。endprint