湍流風況下的風電機組偏航控制系統*

毛 江，蔡義鈞，張斯翔，張冬梅，黃 虎，鄧博宇

(1.中國長江三峽集團有限公司，北京 100038；2.太原重工股份有限公司 技術中心，山西 太原 030024)

0 引言

隨著高風速、低湍流理想風場的開發殆盡，風機朝著大型化、低風速方向尋求發展，在此背景下，風機能夠快速地響應湍流風速和風向的變化，最大限度地捕獲風能，特別是提高小風期間風電機組的平均利用小時數，從而提高風電機組發電量，是當前面臨的重要問題[1]。

偏航系統是風電機組的重要組成部分,偏航系統主要實現自動對風、偏航解纜兩個功能。為了充分利用風能資源、提高機組的發電性能，優化偏航系統的控制策略是最直接有效的方法之一[2-4]。

本文對湍流風況下偏航風速區間進行了劃分、優化了偏航啟動和停止控制策略、優化了低風速下偏航條件的判斷，從而達到提高控制系統響應速度和可靠性的目的。

1 偏航系統

1.1 偏航系統結構

風向是不斷變化的，通過偏航系統使風電機組機艙能夠跟隨風向不斷改變方向來始終保持迎風狀態，從而可以最大效率地捕獲風能。對于并網型風電機組來說，偏航系統通常都采用齒輪驅動形式，系統結構示意圖如圖1所示，四臺偏航電機與偏航內齒圈嚙合，偏航內齒圈與塔架固定在一起，偏航外圈與機艙固定,偏航電機也固定在機艙上，偏航時偏航電機驅動偏航軸承內圈輸出轉矩，偏航內齒圈通過與偏航外圈的嚙合，帶動整個機艙轉動，從而達到機艙偏航對風的目的。

圖1 偏航系統結構示意圖

1.2 偏航原理

由空氣動力學可知，風電機組從風中所能獲取的能量[5]可表示為：

(1)

其中：P為風機實際得到的有功功率輸出;ρ為空氣密度;S為風輪掃掠面積;v為機組風速;Cp為風能利用系數。

當機艙與風向偏離出現θ偏航誤差角度時，風電機組風速將從原來的v變成vcosθ，從而降低了風機從風中捕獲的能量。此時，偏航控制系統就會控制偏航驅動裝置中的四臺偏航電機向當前風向同步運轉，直到機艙位置與風向儀測得的風向相一致。機艙可以順時針和逆時針兩個方向旋轉。

2 偏航對風控制策略優化

2.1 湍流風況下偏航風速區間劃分

根據風向、風速與風機能量的關系，對偏航對風控制策略進行了改進，根據湍流風況的特點，將偏航對風分成小風偏航對風和大風偏航對風兩種偏航控制策略。

風速在6 m/s以下為小風區間，在該區間風向變化比較大，根據這一特點，采用30 s風向相對機艙角度，偏航啟動對風閥值設置為16°，偏航停止對風閥值設置為2°左右。

風速在7 m/s以上為大風區間，該區間是風電機組主要發電區間，且在這個區間風向變化不會太大，根據這一特點，采用30 s風向相對機艙角度，偏航啟動對風誤差閥值設置為8°，偏航停止對風閥值設置成2°左右。當風速超過了額定風速，風電機組已處于滿發狀態，風電機組與風向偏航誤差角度將幾乎影響不到風電機組發電量，但是會影響到機組的整機載荷。根據這一特點，采用30 s風向相對機艙角度，偏航啟動對風閥值設置為8°，偏航停止對風閥值設置為4°左右。

風速在3 m/s附近，風機從風中獲得的能量較小，且風向不穩定、易發生較大變化，此時若偏航啟動后30 s平均風速降低到3 m/s以下，會導致偏航馬上結束，然后風速上升到3 m/s以上，如果此時30 s平均風向大于40°(立即啟動偏航角度)，偏航又會馬上啟動，如此往復，將會造成設備頻繁啟動，降低設備的可靠性及使用壽命。因此，需要優化低風速下允許偏航的判斷條件，針對這一問題將在下文中進行詳細分析。

2.2 優化偏航啟動和停止控制策略

在偏航過程中，偏航的目標是30 s平均風向在2°以內就停止。但是由于風向標的硬件特性，導致風向標容易出現類似3°→0°→359°的變化趨勢，導致程序誤認為偏航已經到另外一個方向(比如風向在左邊，偏航到了右邊)，偏航需要停止，而從3 s平均風向和30 s平均風向來看，此時還未對風正確。

為了避免偏航運行過程中由于風向的頻繁變化導致的偏航方向指令跳變，及其引起的偏航停止又立即啟動的情況出現，優化了偏航啟動邏輯和停止邏輯的判斷時機。在偏航運行過程中，程序只運行停止邏輯，偏航停止控制策略如圖2所示。在偏航停止過程中，程序只運行啟動邏輯，偏航啟動控制策略如圖3所示。

圖2 偏航停止控制策略

在風速小于6 m/s時，機組獲得風能較小，且風向不穩定，延時設定為120 s，偏航啟動風向誤差是16°，有效地減少了偏航時間和次數，降低了偏航設備損耗。

在風速大于7 m/s時，風向變化不會太大，設定延時為60 s，偏航啟動風向誤差是8°，因為大風風向偏差不能差太多，如果風電機組不及時偏航對風，會影響到機組的整機載荷。

風速在6 m/s～7 m/s之間時，保持上一個偏航控制模式不變。

優化后，在偏航運行過程中程序只運行停止邏輯，在偏航停止時程序只運行啟動判斷邏輯。這樣就避免了在偏航運行過程中由于風向的變化導致的偏航方向指令跳變的情況，從而避免了偏航立刻停止然后又啟動的情況出現。

2.3 優化低風速對于偏航停止的影響

在小風情況，30 s平均風向在3 m/s附近不穩定時，若偏航啟動后30 s平均風速降低到3 m/s以下會導致偏航馬上結束，然后風速上升到3 m/s以上，如果此時30 s平均風向大于40°(立即啟動偏航角度)，偏航又會馬上啟動，如此往復。

為了避免這種低風速引起的偏航頻繁啟停現象，采用的優化控制策略如圖4所示，當風速大于3 m/s計時器加計數，當風速小于3 m/s計時器減計數。

圖4 低風速不允許偏航判斷邏輯

這里引入開關量V_NoYawWind(風速低不允許偏航)，計時器加到60 s時，說明風況滿足并允許偏航動作，V_NoYawWind置0；計時器減到0 s時，說明風速過低不允許偏航動作，V_NoYawWind置1；若計時器介于0 s～60 s之間，V_NoYawWind值保持不變。采用上述控制策略，在偏航啟動后，風速突然降低，那么本次偏航動作不會被打斷，將執行完本次動作，此種情況下最多偏航60 s。低風速判斷時序圖如圖5所示。

圖5 低風速不允許偏航判斷時序圖

3 優化后測試及結果分析

3.1 偏航風向分布結果

對優化后的風機和未優化的風機進行了10天的風向統計計數,在風機發電狀態下，針對偏航停止時刻的風向與機艙夾角，每20 min取樣一個3 s相對風向，每隔1°為一個區間。

優化前后偏航風向分布對比如圖6所示,偏航相對風向分布在0°附近更加集中，提升效果明顯。表明新的偏航算法降低了偏航角度誤差。

圖6 優化前、后偏航風向分布對比

3.2 偏航啟動間隔和偏航電機最小時間

優化前后偏航激活時間和最小偏航間隔如圖7所示，對比優化前和優化后偏航激活時間(Last Cw/CcwActive Time)和最小偏航間隔(Min Yaw Interval)，可以看出優化后偏航激活時間降低，偏航時間優化到正常范圍，且最小偏航間隔時間提高，表明沒有出現頻繁的啟停偏航問題。優化后最小偏航角度(Min Yaw Angle)較小，表明優化后后偏航確實動作范圍小、時間短，符合預期。

圖7 優化前、后偏航激活時間和最小偏航間隔

4 結論

該控制系統已在多個風電場得以應用。實踐表明，優化后偏航相對風向在0°附近更加集中，偏航電機兩次啟動時間間隔更大，偏航電機運行最小時間變長，提升效果明顯。表明新的偏航算法，降低了偏航角度誤差,有效地減少了偏航次數與偏航時間，從而降低了偏航自耗電量，提高了風電機組的發電性能，降低了風機偏航系統部件故障率。該控制策略可以直接應用于實際工程領域。