风力发电偏航控制系统研究及技术展望

2018-03-28刘万久黎俞琳韩有才

四川水泥 2018年6期

张皓刘万久黎俞琳韩有才

（1四川大学水利水电学院，四川成都 610065；2四川大学化学与工程学院，四川成都 610065）（3四川大学物理学院，四川成都 610065）

1 背景及意义

风能来自于冷热空气对流，是一种永不枯竭的清洁能源，同其他几种新型清洁能源相比，如地热能、太阳能，风力发电技术已经相对成熟，正逐步趋于市场化。因而我们看到，风力发电在全球各国的高速发展。现阶段，很多科研团队都在对风电技术做进一步地深入研究，在诸多方面取得了丰厚成果，但对偏航控制系统的完善却一直踌躇不前。[1]

由于风向风速总是频繁变化，且具有很大的随机性，如果我们想要始终获得最大的风能，就必须始终使扇叶面正对风向，这就对风力发电机的偏航控制提出了很高的要求。偏航控制系统作为一个随动系统，要求能够在规定风速范围内自动准确对风，由于机身重量过大，在风向变换时，风轮机只能实现非连续性偏转，使得大部分时间内风扇叶与最大迎风方向存在偏航夹角，极大程度地影响了风力发电机的发电效率。另外，风力机组下风方向的风机受到上风方向风机的气流影响，无法识别真实风向从而难以准确对风，加大了偏航控制系统的工作难度。[2]

据统计，在风力发电中，由于偏航等因素造成的风能损失高达 50%，直接导致风力发电的效率难以大幅提升，此外，频繁的偏航调整对设备的损耗十分严重，造成巨大的经济损失，由此可见，偏航控制系统的发展制约着风能利用的进步，需要我们投入更多的努力。

2 控制原理

风机偏航系统主要由风向标偏航电机偏航行星齿轮减速器和回转体大齿轮组成，偏航电机的控制回路对偏航监测传感器产生的电信号进行处理，给偏航电机发出偏航指令，从而带动偏航行星齿轮减速器和回转体大齿轮转动机舱进行对风。[2]

偏航检测传感器由测风装置、限位开关、偏航凸轮、偏航绝对值编码器组成；偏航驱动机构由偏航电机、偏航轴承、润滑系统组成；偏航控制单元由主控器、耦合器、低压配电柜组成。[3]

一般的偏航控制系统工作过程如下：风速风向传感器作为感应元件安装于扇叶附近，监测实时的风能状况，并即刻将风向的变化用电信号传输到偏航电机控制回路控制器中，控制处理器经过比较判断发出偏航命令到偏航电机，偏航电机通过偏航齿轮箱、减速器与调向小齿轮带动偏航大齿轮运动，机舱随之运动，当该对风动作完成后，风向风速传感器的电信号将不会引发控制处理器发出偏航命令，偏航电机停止工作，偏航制动器锁紧，偏航过程结束，扇叶接受最大风力的推动进行发电。[4]

3 目前技术

目前使用的偏航控制方法有很多，本文就以下几种比较常用的进行阐述。

3.1 爬山算法

爬山算法是一种局部择优的方法,采用启发式方法,改进深度优先搜索,利用反馈信息帮助生成解的决策，它属于人工智能算法的一种。应用于偏航控制系统即为，每次偏航系统都会向正对风向位置靠拢，一步一步移进，直到达到最加位置，如爬山爬上顶峰，此时，搜索停止，系统锁定。[5]

3.2 卡尔曼滤波算法

功率检测算法对实现精确对风有很大的裨益，但这也使得风向小范围内变化时以及干扰情况下偏航系统频繁动作，产生疲劳，导致偏航系统磨损加增多，稳定性下降，大大缩减其使用寿命。为了实现高精度对风，并且不损伤偏航系统的机械性能，顾露香提出了在爬山法基础上进行卡尔曼滤波控制的算法,。该算法的核心思想是利用风向变化的鲁棒性，假设风向在短时间内为周期分量，通过预测分析对系统阻尼进行动态调节，优化风向的偏航角度，使偏航系统对风向的小扰动保持冷静，只对超过某一阈值的角度进行调整，保证偏航系统对大范围角度偏航的精确调整，同时减少不必要的机械磨损，提高了风力发电机偏航动作的稳定性和可靠性。[2]

3.3 KHC算法

针对上述偏航控制问题，顾露香等还提出了一种优化爬山法和卡尔曼滤波相结合的新型控制算法—KHC算法。该算法的核心内容是采用爬山法，由之前监测风向传感器对风方向的爬山过程，改为检测输出的电功率的提升过程，避免下风方向风机受上风方向风机变向紊流等不利因素的影响，更加直接准确。同时采用优化卡尔曼滤波的方法，监测短时间内风向在一定范围内连续性变化的特性，总结规律，使系统准确预测并跟踪风向，保持叶轮转速基本稳定，同时控制好偏航机构动作的幅度和频率，避免了偏航系统的疲劳工作。[2]

3.4 不足之处

首先，偏航系统的高灵敏性促使系统在风向的微弱变化下也将做出偏航调整，风向的变化可以说是随时进行的，那么，偏航系统将一直处于工作状态，必将导致机械的劳损，降低其使用寿命，增加运营成本。若是降低偏航系统的灵敏性，那么对风能的利用率又将大大降低，导致经济效益降低，投资回报比太高，运营同样困难。

另外，由于偏航系统的调整动作总是寻求最优路径，即选择最短距离或最短时间达到正对风向的状态，由于风向变化的不确定性，扇叶有可能一直往同一个方向偏航对风，造成电缆缠绕，如果缠绕圈数超过了限定值，强大的力矩将绞断电缆，系统停止工作，给机组带来严重损害。[3]

4 技术展望

随着科技的发展，有越来越多的偏航控制方法得以应用，比如迟滞环的死区效应等，这里不一一赘述。作者在本文提出一种新的控制系统—半圆式双向监测偏航控制系统。目前的扇叶移动仅限于水平圆面，扇叶随着风向的变化做着圆周运动，而我们知道，风向变化莫测，很多时候是从上往下，很少从下往上吹。那么，对于从上而下的那部分风能，由于扇叶转向的限制，智能利用极少的一部分，甚至完全无法利用，造成极大的资源浪费。

若是采用半圆式双向监测系统，首先扇叶与支柱联结的部位能在上圆面任意滑动，由横向和竖向的两个电动装置实现，此外，将风向传感器的数据进行正交分解，分别控制两个电装置的工作，实现整个半圆面的准确对风，如此一来，风力发电对风能的利用率将大幅度提升，期待此种装置的早日投产使用。