一種新型風力發電機偏航控制系統

蘇新霞等

摘 要：為了提高風能的利用效率、延長風力發電機的壽命和降低風力發電的成本，設計了一種新型風力發電機偏航控制系統。該系統及其控制方法解決了因風向頻繁變化而使機艙難以精確對風的問題和偏航系統滯后的問題。

關鍵詞：風力發電機；遲滯環控制；固定時間間隔控制；發電成本

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.010

風能是一種永不枯竭的清潔能源，相比于其他利用新型清潔能源的技術，風力發電技術較為成熟，具有商業化的推廣模式。因此，風力發電在世界范圍內得到了快速發展，已成為當今世界發展速度最快的能源形式。目前，很多國家對風電技術進行了深入研究，在很多方面取得了一定的成果，但偏航控制未能取得有效發展。

1 風力發電機偏航控制系統

1.1 風力發電機偏航控制系統的原理

偏航系統通過風向風速傳感器檢測風向和風速，并將檢測到的數據送至偏航控制器處理，控制器可根據處理結果發出指令，進而由系統執行相應的偏航操作。根據運行原理，該系統可分為外環和內環2個部分：外環檢測元件可檢測機艙位置，通過與風向信號的對比計算得出風向與機艙位置的夾角，并據此判斷是否需要偏航以及向哪個方向偏航；內環偏航計數器可記錄電纜的旋轉角度，并執行解纜操作。

1.2 風力發電機的偏航控制過程

根據上述風力發電機的偏航控制原理，可分解整個偏航系統的控制過程：①在可用風速范圍內執行自動偏航。②超出可用風速范圍時執行90o側風；為了防止電纜纏繞，可自動解纜，并在風機故障或維修時執行人工偏航。在偏航過程中，風力發電機始終處于正常運行狀態。而風輪的旋轉和機艙的轉動使風力發電機的受力較為復雜，會直接影響風力發電機的使用壽命。

現有的偏航控制系統的作用是保持機艙方向與風向一致，從而使風力發電機獲得更多的風能。偏航系統的滯后性和風向的頻繁變化會導致機艙難以精確對風。此外，風向的頻繁變化也會導致偏航機構頻繁動作，進而影響偏航機構的壽命。

2 新型風力發電機偏航控制系統

本文在分析風力發電機偏航系統原理和結構的基礎上，根據風力發電機偏航控制系統的特點，設計了采用新型偏航控制策略的偏航控制系統。其控制策略包含遲滯環的死區效應控制和固定時間間隔控制。

2.1 基于遲滯環的死區效應控制

偏航系統的主要功能是調節風力發電機組的偏航角β，使其與風向角α相等，從而提高風能利用效率。本文首先設計了死區效應控制器，以調節偏航系統的工作狀態。當風向角α與偏航角β之間的偏差角在[-B，B]之間時，偏航系統會停止運行；當偏差角的絕對值>B時，偏航系統會自動運行；當偏差角的優選范圍在[-A，A]的區間內時，偏航系統停止運行。

為了保證風力發電機獲得的風能在Pmax的98 %以上，進行了以下推導計算：

cos（α-β）≥98%. （1）

|α-β|≤arctan（0.98）. （2）

|α-β|≤11.5°. （3）

-11.5°≤（α-β）≤11.5°. （4）

通過計算發現，如果偏差角的角度在[-11.5°，11.5°]的范圍內，則可保證獲得的風能98%以上是正對風向的。令B=11.5°，A通常取3°～5°，在本文中A取4°。因此，即使偏差角在[-11.5°，11.5°]之間無偏航動作，且每次偏航后最優范圍在[-4°，4°]之間時，風能利用率可達到98%以上。

2.2 基于固定時間間隔的控制

國家標準規定，風機偏航時間與風機運行時間的比值不得超過0.1，即如果風機每次偏航的平均時間為t，則至多每10 t才能進行一次偏航動作。

一般情況下，偏航角速度為0.6°/s，且在每次大約調整11.5°的前提下，偏航的動作時間t1=6.9 s。偏航動作的啟動停止時間約為21 s，則風機的偏航時間t2=21+6.9=27.9 s，約為28 s。通過計算，本文中兩次控制采樣的間隔時間t=10t2=10×28=280 s。

2.3 新型風力發電機偏航控制系統的具體實施

將上述2種控制結合在一起，即如果偏差角處于[-11.5°，11.5°]之外時，則無條件執行偏航機構動作；如果偏差角處于[-11.5°，11.5°]范圍內時，則檢測本次動作與上一次偏航機構動作的間隔時間是否超過280 s。

基于上述判斷條件，如果本次動作與上一次偏航機構動作的間隔時間已超過280 s，則執行偏航機構動作并重新計時；如果未超過280 s，則繼續計時并檢測偏差角的大小。

新控制方案的具體實施步驟為：偏航控制器接收風力發電機的風向角和風向儀檢測到的風向角差值，當偏差角的絕對值>11.5°時，偏航機構動作，調節風力發電機的機艙，使偏差角處于[-4°，4°]之間，進而使偏航機構停止運行；當偏差角處于[-11.5°，11.5°]之間時，如果本次動作與上一次偏航機構動作的間隔時間已超過280 s，則偏航機構開始運行，調節風力發電機機艙，使偏差角處于[-4°，4°]之間，偏航機構停止運行，并重新計時；如果未超過280 s，則偏航機構停止運行，繼續計時并檢測偏差角，偏航控制器將輸出結果傳輸至偏航機構，進而控制風力發電機機艙的轉動。

3 結束語

本文在分析風力發電機偏航系統的原理和結構的基礎上，根據風力發電機偏航控制系統的特點，設計了采用新型偏航控制策略的偏航控制系統，其控制策略結合了遲滯環控制和固定采樣時間間隔控制。該方案設定的偏差角小于預設角度時偏航機構不運行，減少了風力發電機的對風次數，延長了風電發電機的使用壽命。此外，該方案中還設定了預設采樣周期，可保證最低的對風頻率和風力發電機的風能利用率達到98%以上。

參考文獻

[1]金長生.風力發電機偏航控制系統的研究[D].大連：大連理工大學，2010.

[2]汪萍萍.風力發電機組偏航控制系統的設計與研究[D].烏魯木齊：新疆農業大學，2012.

〔編輯：張思楠〕