风力发电机组偏航控制策略的设计

2015-03-19杜杨超

机械管理开发 2015年8期

关键词：机舱方位角风向

杜杨超

（太原重工股份有限公司技术中心，山西太原 030024）

引言

风力发电机组偏航系统的作用是通过偏航电机驱动偏航齿轮，使风轮平面垂直于当前风向，确保风轮最大效率地吸收风能。一个合理的偏航控制策略，应当既能满足对风的要求，又可以保证偏航系统的机械使用寿命。

1 偏航系统组成

风力发电机组偏航系统是风力发电机组整机的重要组成部分，基本硬件组成部分包括偏航轴承、偏航齿轮、偏航驱动电机、偏航制动器、角度传感器等。风力发电机组主控系统根据风向、风速等风况信息，控制偏航驱动电机的运行速度和运行方向，偏航制动器在偏航系统静止时提供足够的制动力矩，在偏航系统动作过程中提供必要的阻尼力矩。由于风力发电机组内电力传输电缆的存在，单方向累积偏航角度达到扭缆极限时，风力发电机组偏航系统需反方向运行，实现扭缆的解缆动作。

2 偏航控制系统

偏航控制系统是风力发电机组主控系统的重要组成部分，用来控制偏航系统偏航动作、解缆动作的执行。基本输入信号包括风速、风向、机舱位置角度、偏航扭缆角度、制动系统压力等，输出信号包括偏航电机控制、偏航制动器控制等。偏航系统应当具有手动控制功能，即忽略机舱位置与风向的偏差，人为控制机舱顺时针／逆时针（俯视）运行，为人工维护提供便捷。

3 偏航控制策略设计

偏航控制系统根据运行模式和运行状态，状态机分为待机、偏航、解缆、手动四个状态。如图1所示。

图1 偏航控制状态机

风力发电机组基本运行状态即为无人值守的自动运行状态，“待机状态!"偏航状态”及这两个状态间的切换是偏航控制策略设计的关键。如图2所示。

机舱位置与风向采用方位角坐标系，正北为0°，两者偏差计算公式为：

其中N为机舱位置方位角，P为风向方位角。

K＞0时，风向在机舱左侧位置，偏航系统须逆时针运行；

K＜0时，风向在机舱右侧位置，偏航系统须顺时针运行。

1）偏航控制策略A。

实时跟随策略。即机舱位置实时跟随风向的变化。由于风向的不稳定性，偏航系统须连续运行，偏航驱动电机为S1工作制。理论上该控制策略能最大化地保证机舱的对风效果，最高效地捕获风能。但对偏航驱动和偏航制动装置提出了更高的要求。

2）偏航控制策略B。

伪实时跟随策略。即机舱位置并不时刻跟随风向的变化，只有当｜K｜值超过预设值8°后，偏航驱动才投入运行。该控制策略有效减少了偏航驱动运行时间，但在风况不稳定的地区对偏航系统的设计寿命仍然有影响。

3）偏航控制策略C。

改进的伪实时跟随策略。机舱位置不时刻跟随风向的变化，仅当小风工况（Vwind＜7m／s）K值超过预设值16°的持续时间超过120s，或大风工况（Vwind＞7m／s）K 值超过预设值8°的持续此件超过60s后，偏航系统才投入运行。该控制策略通过时间参数对风向变化进行有效滤波，进一步减少了偏航驱动运行时间。以上所述如图3所示。

4 偏航控制策略验证

在山西省某风电场3MW风力发电机组上对不同偏航控制策略分别进行验证，对偏航系统运行时间进行比较：

图3 改进的伪实时偏航控制策略

如图4所示，在同一台3MW风力发电机组上对B、C两种控制策略进行比较，对比数据包括机舱方位角、风向方位角和偏航动作状态。两种控制策略分别测试1h。测试结果表明，在风向方位角变化幅值与频率一致的情况下，采用B控制策略，偏航系统动作34次，累计运行时间15.3min。采用C控制策略，偏航系统动作3次，累计运行时间2.4min。B控制策略各次偏航时间较短，平均时间27s，但动作频繁；C控制策略单次平均偏航时间48s，但动作频率有明显的改进。偏航驱动传动装置在风力发电机组20年设计寿命中，参考运行寿命为17 520h。采用C控制策略，20年偏航系统累计运行7 008h，完全满足系统设计的要求。