風力發電機組偏航扭纜保護裝置設計

李小沛 劉國營

摘要：風力發電機的控制系統和偏航機構具有滯后性問題，當風向和風速頻繁變化時，風輪平面無法準確對準風的來向，這會導致偏航機構頻繁動作，增加機械損耗，進而影響偏航機構的壽命。針對上述問題，本文提出了一種基于卡爾曼濾波的自適應偏航控制策略，使風機具有較強的自適應性，降低偏航頻次，提高對風精度。最后，通過數字仿真及現場數據測試驗證，充分說明本文所述的基于卡爾曼濾波的自適應偏航控制策略能夠明顯降低偏航頻次，提高對風精度，提升發電量，使風機具有一定的自適應性。

關鍵詞：風力發電機;偏航系統;控制策略

引言

隨著不可再生資源的匱乏以及環境污染的加劇，風能作為一種清潔性高、可持續性強、資源豐富的可再生資源已日益受到世界各國的關注。截至2016年末，全球累計風電容量達到487GW。根據國家發改委可再生能源發展“十三五”規劃，到2020年底，全國風電并網裝機確保達到2.1億千瓦以上。風力發電機組是用于捕獲風能的旋轉機械，無論是直驅式風力發電機組，還是雙饋式風力發電機組，都有一些相同的部件，如保護從機頭到塔筒電纜轉向處電纜的偏航扭纜裝置。偏航扭纜裝置是電纜夾具的一種，也叫偏航扭纜保護套，在風力發電機組中用于固定和保護動力電纜及控制電纜。相對于整個風力發電機組來說，它只是一個比較普通的結構部件。但是，偏航扭纜裝置設計的不合理，可能導致電纜磨損或者拉斷，影響機組的安全和后期運行維護。

1偏航扭纜保護裝置設計

1.1偏航扭轉電纜分布圓直徑的確定

本文基于湘電風能有限公司的5MW海上風力發電機組進行偏航扭纜裝置優化設計，其通過扭纜裝置的電纜明細見表1。根據電纜布置原則，把不同相的電纜合并成系統，并且一個系統內的電纜間距小于電纜系統間距。將表1中電纜優化分為6組，如圖3所示，排列的電纜分布圓直徑為d。其中，序號12的電纜為6根主電纜，按A、B、C三相一組分為兩組。確定電纜分組排列形式后，再計算電纜分布圓直徑。由于各組電纜不同，故僅選取尺寸最大的電纜12的A、B、C三相一組進行考慮，其余分組電纜較細，可通過包裹膠皮擴大外徑，從而達到在電纜護套中夾緊的目的。如圖4所示，電纜12的3個直徑為Φ46mm的電纜相切排列成組，其外切圓直徑為Φ99mm。電纜組與組之間至少要留有一根電纜直徑的間隙，共有6組電纜分布，故電纜分布圓的周長L近似為（99+46）×6=870mm。分布圓直徑d計算公式為：適當放寬電纜組之間的間隙，同時也為了制造便利，我們將本項目的電纜分布圓直徑d圓整為300mm。

1.2偏航扭纜保護裝置長度的確定

根據機組總體設計要求，當機頭偏航兩周，即當機組偏航角度達到720°時，控制系統開始解纜工作。假設電纜在扭轉過程中不會拉伸，且參與扭轉的電纜分布圓不變，偏航兩周后電纜線束為圓柱螺旋線，則電纜提升的理論距離為：機頭固定部分到限擺架處電纜扭轉自由度限制處的距離h=11 400mm。將相關數值代入式（2）計算得：Δh=154.6mm。由于本項目平臺及限擺架處卡口厚度為35mm，則扭纜護套提升部分距離必須大于154.6+35≈190mm。考慮到安裝及運行誤差，上下各留10%的裕度，最終確定扭纜護套可滑動部分為230mm。最終設計的扭纜保護套尺寸如圖5所示。

2自適應偏航控制系統設計

2.1偏航容忍偏差

根據IEC標準可知，風速越大，湍流越小，風向變化越小，風能越集中。但是偏航容忍偏差并不是越小越好，因為偏航容忍偏差過小，風機偏航次數越多。例如小風時，風向變化比較快，如果沒有設置好合適的偏航容忍偏差，風機就會頻繁偏航，不僅會降低偏航機構壽命，而且也不利于提高發電量。所以為了使偏航控制系統具有較好的自適應性，提高偏航的有效性，本文將偏航容忍偏差大小與風速、風機發電狀態等信息相關聯。風速不同，偏航容忍偏差也隨之改變，減少小風風向頻繁變化時偏航機構的頻繁動作，同時也提高大風風向穩定時的偏航對風精度。

2.2自適應卡爾曼濾波

Kalman濾波是目前應用最為廣泛的濾波方法。卡爾曼濾波器用反饋控制的方法估計過程狀態：濾波器估計過程某一時刻的狀態，然后以（含噪聲的）測量變量的方式獲得反饋。因此卡爾曼濾波器可分為兩個部分：時間更新（預測）方程和測量更新（校正）方程。時間更新方程負責及時向前推算當前狀態變量和誤差協方差估計的值，以便為下一個時間狀態構造先驗估計;測量更新方程負責反饋。也就是說，它將先驗估計和新的測量變量結合以構造改進的后驗估計。時間更新方程也可視為預測方程，測量更新方程可視為校正方程。最后的估計算法成為一種具有數值解的預估-校正算法。由于風向角xk不會瞬時變化，所以在本設計中假設前后兩個時刻的風向角不變，狀態一步預測方程為：在式（4）中，過程激勵噪聲協方差Q是非常小的定值，觀測噪聲協方差Rk不是固定的值，而是根據風機風輪轉速、風機發電狀態等信息進行自適應調整。

結語

通過對比，我們發現提升高度的理論值與實際測量值基本一致，分析如下：（1）理論計算假定電纜分布圓直徑為恒定的300mm，而實際運行時，分布直徑會因為電纜扭轉互相擠壓變小。實際電纜曲線不是一個標準的圓柱螺旋線，而是呈現有錐度走向的圓錐螺旋線。尤其當扭纜護套數量少、保護套間距大時，實際提升距離比理論值小。（2）理論計算時，假設電纜不會發生彈性拉伸。實際偏航扭轉過程中，電纜將會發生彈性拉長，導致電纜偏航提升的距離比理論計算值偏小。

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