功率與載荷協同控制的風力發電機偏航控制策略的優化★

石 磊

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

偏航是指水平軸風力發電機組的機艙繞塔架旋轉。風力發電機組的偏航系統一般分為主動偏航系統和被動偏航系統。被動偏航系統指的是依靠風力通過相關機構完成機組對風動作的偏航方式。主動偏航系統指采用電動或液壓機構驅動偏航軸承來完成機組對風動作的偏航方式。大型風力發電機組通常采用電機驅動帶齒的偏航軸承完成偏航動作。

使風輪跟蹤風向的變化，使其始終處于迎風狀態，提高風能利用率和風力發電機組的發電效率。但是過大的偏航誤差會導致風力發電機的載荷急劇上升；采用過小的偏航誤差會導致偏航系統頻繁工作，降低壽命。

本文研究風力發電機組偏航誤差與風力發電機組功率、風力發電機組偏航軸承極限載荷的關系，進而對風力發電機組偏航系統的控制策略進行優化。

1 偏航系統

大型風力發電機組偏航系統由偏航執行結構和偏航控制系統組成。偏航執行機構由偏航軸承、偏航電機、偏航減速機、偏航小齒輪、偏航齒圈、偏航制動器、偏航液壓系統等組成。偏航控制系統主要包括偏航控制器、風向傳感器、偏航編碼器、扭纜傳感器等[1]。

當風向信號傳遞到偏航系統的控制器中，偏航控制器對風向信號進行比較和判斷，若滿足偏航條件，則偏航控制器給偏航執行機構發出逆時針或順時針動作的信號，偏航執行機構根據接收信號開始偏航動作；當風電機組準確對風時，偏航電機停止運行，偏航過程結束。偏航系統的工作原理如圖1[2]所示。

圖1 偏航系統原理圖

2 關于偏航誤差的仿真

本文用GH Bladed軟件對2.5 MW風力發電機組進行功率和載荷仿真計算，該機組切入風速為3 m/s，切出風速為25 m/s，標準空氣密度下的額定風速為9.5 m/s。為簡化計算與分析，風模型采用穩態風模型。

2.1 偏航誤差對發電量的影響

當偏航誤差分別為 0°、8°、16°、24°、30°時，分別計算風力發電機組的功率曲線，計算結果如圖2。由圖2可以看出，偏航誤差為8°時，相同風速下風力發電機的功率與偏航誤差為0°時的風力發電機組功率相差不大，最大差值百分比不超過4%；當偏航誤差為16°、24°、30°時，在額定風速以下，隨著偏航誤差的增大，相同風速時風力發電機組功率與偏航誤差為0°時的風力發電機組功率偏差較大，且偏航誤差越大，風力發電機組功率相差越大。

圖2 各偏航誤差下風力發電機的功率曲線

風速相同且風速小于額定風速，當偏航誤差為16°時，風力發電機組的功率與偏航誤差為0°時的風力發電機的功率相比，最大差值百分比為16.7%，當偏航誤差為24°時，風力發電機組的功率與偏航誤差為0°時的風力發電機的功率相比，最大差值百分比為36.4%，當偏航誤差為30°時，風力發電機組的功率與偏航誤差為0°時的風力發電機的功率相比，最大差值百分比為54.3%。

當風力發電機滿發后，隨著風速增大，風力發電機通過調整變槳角度使風力發電機風輪獲得恒定扭矩，將發電機維持在額定功率。風力發電機達到額定功率后，偏航誤差對風力發電機的功率沒有影響。

通過分析偏航誤差對風力發電機發電量的影響，在滿發風速以下采用較小的偏航誤差可以提高風力發電機的發電量；在滿發風速以上采用較大的偏航誤差，可以降低偏航系統的工作頻率，延長偏航系統的使用壽命[2]。

2.2 偏航誤差對偏航軸承載荷的影響

偏航軸承滾道的應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。

當偏航誤差分別為 0°、8°、16°、24°、30°時，分別計算風力發電機組在各風速下偏航軸承的極限載荷，計算結果如表1，由表中數據可知，當偏航誤差變化時，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Fxy與Fz影響不大。

表1 各偏航誤差下風力發電機的偏航軸承極限載荷

不同偏航誤差下，風力發電機偏航軸承極限載荷Mxy隨風速的變化情況見圖3。根據圖3分析可知，在偏航誤差為0°的情況下，風速為10.5 m/s時，偏航軸承極限載荷Mxy達到最大值，當風速超過10.5 m/s后，偏航軸承極限載荷Mxy隨風速的增大而減小。但是在偏航誤差不為0°的情況下，在風速超過滿發風速后，偏航軸承極限載荷Mxy隨風速的增大先減小，然后再增大直到風力發電機切出，所以偏航軸承極限載荷Mxy出現在切出風速。

通過上述分析可知，為了降低偏航軸承載荷，同時能夠最大限度地減小偏航系統的工作頻次，當風速小于21 m/s時，風力發電機的偏航誤差設置為16°，當風速大于21 m/s時，風力發電機的偏航誤差設置為8°。

圖3 各偏航誤差下偏航軸承極限載荷Mxy

2.3 偏航控制策略的優化與仿真

通過分析偏航誤差對風力發電機組功率以及偏航軸承極限載荷的影響，對2.5 MW風力發電機組偏航系統控制策略進行優化，如表2。

表2 偏航系統控制策略

采用GH Bladed對風力發電機在優化前、優化后的控制策略下進行仿真，分別計算風力發電機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 優化前后風力發電機功率曲線

表3 風力發電機偏航軸承極限載荷

通過分析圖4和表3可知，采用優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力發電機的功率。當年平均風速為6.5 m/s時，偏航控制策略優化前年發電量為8360.68 MWh，控制策略優化后年發電量為8749.61 MWh，通過優化偏航控制策略，年發電量可以提高4.7%。

5 結論

采用功率與載荷協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，降低了偏航系統的工作頻率，延長了偏航系統的使用壽命，提高了風力發電機組的發電量。