风力发电机组偏航控制研究

2\2013年第期Abstract■摘要：为了提高风机的风能利用率，偏航控制技术已成为一项重要研究工作。本文简要介绍了风力发电机组偏航控制系统的分类、功能及结构,在此基础上,对当前主流风机偏航控制技术进行了简要汇总，并总结了各自的优缺点，最后在H-C功率控制算法的基础上提出了一种新型偏航控制算法——改进型V-HC算法，通过风向标与功率追踪算法相结合，使风机效率最大化，并且改善了H-C算法下风机的盲动性，使风机的风能利用率得到提高。■关键词：风力发电机；偏航控制；功率控制；V-HC控制风力发电机组偏航控制研究陈亮谭伟田天*/沈阳鼓风机集团股份有限公司中图分类号：TH86文献标志码：A文章编号：1006-8155（2013）02-0064-05ResearchonWindTurbineYawControlSystemAbstract:Inordertoimprovetheenergyusingefficiency，yawcontroltechnologyhasbecomeanessentialresearchtask.Thepaperpresentsthesorts，functionandstructureofyawcontrolsystem，onthebasisofthese，makesasimplesummaryofthemaincontroltechnologyofwindturbineyawcontrolsystemanddiscussestheadvantageandshortcomingofthem.Intheend，onthebasisofH-Calgorithm,anewalgorithmofyawcontroltechnology—improvedV-HCalgorithmhasbeenputforward.ThisalgorithmcombinestheV-CandH-Ccontrol，whichmakestheturbineefficiencymaximization，improvestheactblindlyofH-Calgorithm，andincreasestheutilizationrateofwindenergy.Keywords:windturbine，yawcontrol，powercontrol，V-HCcontrol0引言风能的利用率和机械寿命是风电机组的一项重要指标,风电机组的控制技术一直被人们广泛研究，多种有效的风电机组控制策略和算法被提出,但大多是关于风力机控制、发电机控制与并网控制的技术［1］，针对偏航控制的技术却未能取得有效发展，因此，对风力机在全面风特性变化范围内和追踪风向的见风使舵过程的动力学建模问题展开研究[2]，对提高风能利用率有着重要的意义。风向具有随机性，总是在不断改变。为了使风轮在正常工作时，风轮叶片一直正对着风的方向，以充分利用风的能量，在机舱转盘底座上安装了调向机构[3]。风力发电机组的调向机构称为偏航系统，主要分为被动迎风偏航系统和主动迎风系统两大类。前者多用于小型独立风力发电机组，由尾舵控制，在风向变化时被动对风。后者多用于大型并网型风力发电机组，由位于下风向的风向标发出的信号进行主动对风控制[4]。为有效控制偏航系统，工业上开发出了应用卡尔曼滤波的控制器、模糊控制器、最优控制器等［5］。这些控制器的偏航控制信号均来源于风向传感器。由于风向传感器位于下风向，受到紊流和测量精度等影响，使得对风精度不高，文献[6]中的对风精度为±15°。从经济角度出发，文献[7]中提出了一种不需使用风向标传感器的控制算法Hillclimbing，该算法的思想是根据功率的变化，配合相应算法收稿日期：2012-11-22沈阳110869*本文其他作者：李盛禹郭杰/沈阳鼓风机集团股份有限公司节能与环保6422013年第期\来控制偏航电机的转向，寻找最大功率值点。该算法较新颖，虽然可取消风向标传感器，但只适用于小型、独立的风电机组。对于大型风电机组，单独使用该法并不适用。就目前的技术水平而言，大型风电机组仍需风向传感器作为对风的主要手段。本文对上述对风方法与控制方法进行了简要介绍，并讨论了各自优缺点，对H-C算法进行分析并提出改进方法，给出了程序流程图。1风电机组的偏航控制方式1.1被动对风偏航控制1）尾舵调向偏航控制装置见图1。这种偏航控制方式是属于被动对风偏航，它的调向装置是尾舵，通过尾舵随风摆动使风力机的风轮迎风面始终正对来流方向。如图1所示，这种风机大多为小型风机，类似气象站所使用的测风塔，并且尾舵的面积与风轮扫风面积必须达到一定关系才能满足对风的准确性。这种偏航方式的特点是不需要电动或人工控制。2）侧风轮调向装置如图2所示，这种调向装置是在机舱侧面安装1～２个小风轮。风机的转向轴与风轮主轴相垂直。当风向与主风轮发生偏移时，侧风轮会被风吹动，通过蜗轮蜗杆机构使机舱旋转，直到风向与侧风轮轴垂直时为止。这种偏航装置要求侧风轮叶片的倾斜位置必须使机舱按正确的方向转动。侧风轮调向装置既可用于上风向的风力机，也可用于下风向的风力机。风轮对风的优点是机舱和塔架扭矩连接，由于机舱偏航力矩不图1尾舵调向装置图2侧风调向装置图3并网型兆瓦级风机结构图（双馈型）652\2013年第期会产生扭矩振动激励，缺点是风轮转速很高时，由于陀螺力矩而增加了载荷［8］。1.2主动对风偏航控制主动对风偏航控制又称自动对风偏航控制，主要采用外部风速风向传感器对风速和风向信号进行采集，然后通过计算偏差角度，再通过电动或液压驱动装置使机舱按照所需偏转角度和方向进行偏转。这种控制方式比较适用于大型兆瓦级风力发电机组。图３列举的是兆瓦级风电机组的总体结构，兆瓦级风电机组由于齿轮箱、发电机等主要部件的质量和体积较大，所以机舱体积比较大，扫风面积达到几千平米，质量30～150t，被动对风装置在这样大的质量下显然是不适用的，所以该类风机全部都采用主动对风方式来进行偏航。主动（电动）偏航系统一般包括感应风向的风向标、偏航电机、偏航行星齿轮减速器、偏航计数器与扭缆报警装置等。其工作原理如下：风速风向传感器将采集到的信号送入风机主控系统，经过控制器处理后给偏航电机发出顺时针或逆时针的转动命令，一般为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过减速箱减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿圈上，带动风轮偏航对风，对风完成后，控制器发出停止命令，偏航过程结束。此外，此类风机必须具备偏航扭缆保护能力，通过安装偏航计数器来记录总偏转角度，在达到扭缆极限时进行自动解缆。2风力发电机组偏航控制策略偏航控制系统是风机主控系统的主要组成部分，对风电机组的运行效率和机械寿命起着至关重要的作用，控制策略的好坏直接影响机组的工作效率和机械寿命［9］。2.1风向标控制法目前主流的偏航控制技术大多为基于风向传感器（风向标）的控制方法，也称V-C控制，通过安装在尾部的机械式或超声波式[10]等风向传感器来检测来风风向，并将信号送入主控系统，经过主控系统计算当前机舱位置与风向的偏差，再输出一个偏转角度信号给偏航执行机构，来实现偏航控制。其工作流程见图4。传统V-C偏航控制方法的特点是控制技术简单，实用性强，维护成本低，在对风精度上基本能够满足大中型风力发电机组的偏航控制需要。2.2功率控制H-C算法传统风向标控制偏航虽然控制方式简便，但由于受到尾流和风湍流等影响，在对风精度上有待提高，文献[6]表明：当风向差在±15°时，风向标对风判断将失效，此时依赖风向传感器作为对风判断的方法效率不高。因此，文献[5]中首次提出了一种根据功率变化实现偏航控制的新型算法—hillclimbing爬山算法。如图5算法示意图所示，设定：P*为变流器给定功率；P*max为给定的功率最大值；P为中间变量；Pf为功率检测仪反馈的瞬时功率值；ΔP1为风速或风向变化时的功率变化值,ΔP1=P*max-P；ΔP2为风速或风向变化时的功率变化值,ΔP2=Pf-P；ΔP*为功率误差给定最大值；θ图4V-C风向标控制偏航流程图节能与环保6622013年第期\为偏航电机旋转角度。并网后，主控系统先对偏航控制系统进行初始化，然后开始判断方向：1）当风向变化绝对值大于15°时，根据风向仪判断风向进行偏航，到达15°后进行HC算法的控制，根据ΔP1进行判断,若ΔP1ΔP*，则继续在原方向进行偏航控制，反之，则说明功率误差在范围内，结束偏航控制；2）当风向变化的绝对值不大于15°时，则根据功率变化判断,若ΔP1ΔP*，则电机先逆时针旋转5°，若此时ΔP2ΔP1，则说明偏航方向正确，在原偏转方向上用继续使用H-C算法进行偏航控制；若ΔP2ΔP1不成立，说明功率变化时风速变化引起的，风机返回原位置，不进行偏航控制。HC算法在功率控制上相对传统算法，从功率最大化的角度出发，提高了风能利用率，同时，由于其对风力载荷的合理吸收，也增加了风力发电机组的机械寿命[11]。2.3改进型V-HC算法程序设计HC算法虽然能够跟踪最佳功率值，但判断转动方向时，先逆时针或者顺时针方向转动。然后根据功率变化判断方向是否正确，这一步骤对于大型MW级风机来说，需要很长的判断时间和运行时间：以沈鼓DF2000型风电机组为例，机舱总重125t，其偏航速度约为0.32deg/s，判断功率变化是否由风速变化引起，大概需要30s时间，在阵风较多的情况下，增加了机组的盲动性，无疑降低了偏航效率。由图6可以看出，在功率较低的情况下，阵风对功率影响比较明显，所以在应用H-C算法判断风速变化引起功率变化时，容易出现误判和误动作，因此本文基于2.0MW双馈风力发电机组的偏航机构，提出一种改进型HC算法。以沈鼓DF2000型风机为例，整机参数：额定功率2.0MW，机舱总重125t，轮毂中心高80m，扫风直径86m。偏航机构采用四驱动电机加减速齿轮箱的滑动式偏航系统，偏航平均速度0.32deg/s，配备偏航扭缆保护器。控制策略如下：当风速低于额定风速时，风速变化较复杂，在±5°内应用HC算法：1）当风向差大于15°时，启动偏航，根据风向仪给定风向信号和当前机舱位置，计算偏航方向，控制风机向迎风方向运动；2）在偏航过程中，比较机舱位置的反馈值和图6阵风对功率影响图7改进型H-C算法流程图图5H-C算法示意图672\2013年第期风向信号，当差值小于5°时，记录功率变化，同时监测风速变化，设定计算步长为1s。设在15°时风机功率为P1，启动偏航之后下一秒的功率P2，根据风机的最佳功率曲线图，对于风速V时最大功率给定值为P*，由于风机功率监测系统属于实时系统，因此随时比较风机功率P1和功率给定值P*，设ΔP1=P*-P1，ΔP2=P*-P2，如果ΔP2＜ΔP1，说明功率差在减小，偏航继续进行，直到ΔP2≥ΔP1停止，流程图见图7。当风速大于额定风速时，风力较大，气流在运动过程中较为平稳，而且由于功率已达到额定功率，不能再追踪最大功率点，此时不再需要使用H-C算法，使用V-C控制偏航即可达到机组的对风要求。3结论偏航系统由于其特殊性和重要性，在设计时应基于稳定性、可靠性、安全性三方面考虑，根本目的是提高风能利用率和提高机组的使用寿命，不论V-C控制还是V-HC控制都存在不完善的地方，但是V-C控制仍是目前应用最为普遍的控制策略。V-HC算法其思想值得借鉴，但对于风能这种随机性变化非常强的资源来说，想要完美捕捉其变化以提高风能利用率还存在很大的困难。对于目前主流的大型兆瓦级风力发电机组，由于其扫风直径接近百米甚至更高，风向上存在的微小误差对叶轮的风能吸收产生的影响越来越小，因此V-C控制仍然是目前最为可靠的偏航控制技术。参考文献[1]陈雷.大型风力发电机组技术发展趋势[J].可再生能源，2003（1）：27-30.[2]赵荣珍，吕刚.大型水平轴式风力机的国内外研究状况分析[J].风机技术，2009（1）：59-65.[3]杨志军.风力发电机组的结构简介[J].风机技术，2009（3）：35-36.[4]PatelMukundR.Windandsolarpower