風力發電機組偏航系統仿真設計與分析

摘要：風電機組偏航系統是風機特有的機電系統結構，其穩定性是風機可靠運行的重要保障。現提出并實現了對偏航仿真系統軟硬件的設計，對系統的控制策略和穩定性進行了分析研究，通過動態調試，搭建了一個符合工業現場的風電機組偏航仿真系統。

關鍵詞：偏航系統;仿真實現;控制策略;設計分析

0 引言

偏航機構作為風電機組特有且十分關鍵的隨動機械裝置，當機艙跟蹤風向變化而發生電纜纏繞時，視風機實際運行情況適時進行解纜，并及時潤滑偏航機械機構。使用ADAMS、BLADED等軟件對偏航系統進行建模仿真已比較成熟，但進行實物模擬仿真的還不多，本文設計的模擬仿真系統對教育培訓和科研具有現實意義。

1 偏航系統模擬仿真設計要求

1.1? ? 偏航對風

偏航系統與風機控制系統配合，通過風傳感器跟蹤風速、風向的變化，計算單位時間內平均風向，當風速大于某設定值時，如風向與機艙方向的夾角超過設定角度，偏航系統將執行偏航對風。為防止機組在風擾動情況下頻繁動作，偏航控制系統以10 min的平均風向作為偏航條件，當滿足偏航條件時執行偏航動作，讓風機保持迎風狀態。

1.2? ? 風輪保護

正常發電時，制動器將偏航軸承鎖定，保證風機在迎風位置工作。在出現破壞性風速時，葉片順槳并以最快速度停機，進而讓機艙偏航90°背風，以免風機受損。當機組出現緊急停機故障時，風機將切除補償電容，風輪氣動剎車，延時0.3 s后偏航制動器動作，檢測到瞬時功率為負時退出，若停機時長大于20 s仍未順槳，則機艙偏航90°背風。

1.3? ? 扭纜保護

風機朝同一方向連續偏航，導致高壓線纜過度扭絞，當扭絞程度達到扭纜保護觸發值時，系統執行小風自動解纜及強制解纜程序，保證機組安全運行。在偏航的過程中，機艙順時針或逆時針轉動達到720°～1 080°時，待機組出力較小或不出力時驅動風機解纜。風機在正常發電時，風機不立即進行解纜操作。當偏航角度超過1 080°時，扭纜保護觸發初級解纜，機組需停機進行解纜。若不能解纜，則當紐纜角度達到1 440°時，會觸發終極解纜，紐纜開關將閉合，觸發安全鏈而導致機組自動停機，此時需要手動解纜。

2 偏航系統硬件仿真設計與實現

采用3臺無級變速三相異步電動機（Y112M-4）、3臺偏航減速器（BLD4-59-4kW），以外齒型驅動方式，在機艙轉動的同時帶動光電編碼器轉動，光電編碼器實時監測機艙轉動角度并傳送到控制系統。裝置安裝采用分體式結構，用支撐結構平臺模擬機艙底座和偏航軸承等驅動構件。偏航軸承及機艙模型通過一塊圓形齒邊的鋼板進行仿真模擬，在鋼板中央設軸承，軸承連接旋轉編碼器，其0°值對應機組主風向。偏航系統采用倍福PLC作為核心處理器，系統結構分為4級。中央監控計算機作為網絡層;PROFIBUS現場總線主站接口CX1500-M310、控制器CX1020-0000、電源模塊CX1100-0002、數字量輸入模塊KL1408、數字量輸出模塊KL2134、總線末端模塊KL9010構成主站層;從站層包括總線耦合器BK3150、模擬量輸入模塊KL3122、SSI編碼器接口模塊KL5001、數字量輸出模塊KL2134、安全總線端子模塊KL1904和總線末端模塊KL9010;現場層由各種變頻器、電動機及各控制對象組成。偏航控制系統結構如圖1所示。

3 偏航系統控制程序設計

3.1? ? 偏航控制流程及策略

（1）自動潤滑。1）計算潤滑停止位置。若機艙位置>0°，潤滑偏航止位為機艙位置減355°;反之為機艙位置加355°。2）判斷是否需要潤滑。機組運行時間達到潤滑設定時間時，執行潤滑，若運行時間>設定時間+120 h，則必須潤滑。3）判斷潤滑條件。風速小于8 m/s時的易損件、風速小于16 m/s時必須潤滑的部件，執行自動潤滑程序。4）開始自動潤滑。滿足潤滑條件，時間置零重計，屏蔽自動解纜及自動偏航，根據機艙具體位置判斷潤滑時的偏航方向，計算潤滑停車位置，啟動偏航電機，偏航電機反饋信號后，潤滑泵立即運行并開啟控制閥進行自動潤滑。

（2）自動偏航。連續檢測氣流方向變化情況，在不同的角度差值下設置不同的延時時間，按傳感器角度信號θ值執行相應動作。當5 s內θ值誤差角度Δθ=15°，即-15°≤Δθ≤15°時，認為風機位于主風向而不偏航;當Δθ>25°時，將延時20 s進行偏航輸出;當15°<Δθ<25°時，將延時50 s進行偏航輸出;當Δθ<15°時，將延時90 s進行偏航輸出，從而實現大角度快速動作，小角度精確檢測動作[1]。另外，Δθ>180°表明風機相對風向標有一個向右偏離的夾角，應執行逆時針偏轉;Δθ<180°表明風機相對風向標有一個向左偏離的夾角，應執行順時針偏轉。

（3）自動解纜。風向在隨機變化過程中，機艙持續同向跟風可能導致高壓線纜絞纏，需根據實際運行情況解纜。風向在-180°～180°變化，偏航角度在-1 080°～1 080°調節變化，在進行解纜控制時，應時刻跟蹤偏航角轉過的角度。例如當風向角為-10°時，需計算此時偏航角度，假設此刻偏航角為1 000°，則偏航角與風向角之差為1 010°，根據程序判斷差值大于900°，因此利用差值減去1 080°，得出執行偏航角度應為-70°，由此可知風機需要執行左偏解纜。

（4）手動偏航。檢測到手動偏航啟停信號時，清零其他運行指令狀態，讀取手動信號，打開制動器，手動操作。手動偏航和自動相關程序相互獨立，程序嵌套在主程序中。

3.2? ? 偏航指令的優先級

偏航系統可以在多種指令形式下執行動作，除了上述提到的偏航和解纜外，還有背風、控制面板手動運行、機艙左右開關偏航、中控遠程偏航、中控偏航鎖定等指令。為避免手動偏航導致紐纜，超過設定最長偏航時間時，風機將自行停止偏航。偏航指令優先級排序：就地開關、控制面板手動、中控遠程、自動側風、自動解纜、自動對風。

4 偏航仿真系統控制策略分析

偏航控制策略有線性化、變結構、魯棒、自適應和模糊控制。線性化控制基于比例模型，在不同輸入風速下始終以最優尖速比運行，在風速變化迅速時調節相對滯后，往往僅能滿足正常工況下的要求。變結構控制憑借響應速度的優勢在風電領域發展較好，其對風能的擾動特性具有良好的適應能力，結構模型確定的情況下，對系統的執行速度快，反映較直接，在結構參數瞬變時，控制過程較穩定;在參量變化范圍寬、隨動性干擾的情況下，其能快速且直接控制偏差問題。自適應控制經傳感器魯棒控制可同時完成對若干個運行參數的調節和控制，尤其是在模型搭建過程中已有偏差存在時，可根據運行和控制器監測反饋參數及時計算，易于控制變量的增益[2]。模糊控制將成熟的理論及完美的控制方法轉變為控制策略，無須精確建模，便能消除擾動，實現穩定控制的目的[3]。因風能的擾動和隨機性，實際工況建模較為困難。考慮到實驗室環境下條件較好，輸入參數和數據便于控制，風速、風向值可采取給定的線性模式進行控制，同時為了簡化裝置和優化結構，采用簡明且直接的線性化運行策略。當然，在需要對快速變化的風速、風向進行仿真模擬時，可采用更加智能的控制策略。

5 偏航仿真系統穩定性分析

偏航仿真系統根據預測分析與配合控制環節調整風機轉向，其性能的好壞與發電及風能吸收系數Cp值關系密切，偏航過程中承受隨機荷載，對偏航系統的穩定性要求較高。在本仿真裝置中，偏航系統的負荷較小，近似空載運行，偏航過程中沒有偏航阻尼，偏航圓盤完全由偏航電機驅動控制，由開關或電位器模擬數字和模擬量信號，控制精度不高，與設計值相比偏航誤差為15°。為提高偏航的抗沖擊干擾性能和準確度，在偏航程序中增加了減少偏航執行機構滯后程序。另外，系統安裝過程中要對輪系構件進行軸向限位，特別要注意偏航減速器齒輪與偏航模擬盤齒輪的嚙合情況，對偏航減速器與金屬轉盤的碰撞力進行分析，以防3臺偏航減速器運轉時產生碰撞與干擾，增加齒輪機構的摩擦力和碰撞力。

6 結語

對風機偏航系統的模擬仿真系統軟硬件的設計與實現，給學習和研究風電偏航系統的學生提供了實物平臺，為風電從業人員提升技能和故障分析能力奠定了基礎，也為設備及系統改進創造了一定的條件。

[參考文獻]

[1] 劉莉莉，段斌，李晶，等.基于IEC 61850的風電場SCADA系統安全訪問控制模型設計[J].電網技術，2008，32（1）：76-81.

[2] 高峰，凌新梅，劉強.基于SCADA數據的風電機組偏航控制參數優化[J].太陽能學報，2019，40（6）：1739-1746.

[3] 王欣，吳根勇，潘東浩，等.基于運行數據的風電機組偏航優化控制方法研究[J].可再生能源，2016，34（3）：413-420.

收稿日期：2021-02-26

作者簡介：高海濤（1983—），男，四川達州人，講師，工程師，從事電氣工程（風力發電）領域教育教學及項目工作。