风力发电机组偏航扭缆保护装置设计

李小沛 刘国营

摘要：风力发电机的控制系统和偏航机构具有滞后性问题，当风向和风速频繁变化时，风轮平面无法准确对准风的来向，这会导致偏航机构频繁动作，增加机械损耗，进而影响偏航机构的寿命。针对上述问题，本文提出了一种基于卡尔曼滤波的自适应偏航控制策略，使风机具有较强的自适应性，降低偏航频次，提高对风精度。最后，通过数字仿真及现场数据测试验证，充分说明本文所述的基于卡尔曼滤波的自适应偏航控制策略能够明显降低偏航频次，提高对风精度，提升发电量，使风机具有一定的自适应性。

关键词：风力发电机;偏航系统;控制策略

引言

随着不可再生资源的匮乏以及环境污染的加剧，风能作为一种清洁性高、可持续性强、资源丰富的可再生资源已日益受到世界各国的关注。截至2016年末，全球累计风电容量达到487GW。根据国家发改委可再生能源发展“十三五”规划，到2020年底，全国风电并网装机确保达到2.1亿千瓦以上。风力发电机组是用于捕获风能的旋转机械，无论是直驱式风力发电机组，还是双馈式风力发电机组，都有一些相同的部件，如保护从机头到塔筒电缆转向处电缆的偏航扭缆装置。偏航扭缆装置是电缆夹具的一种，也叫偏航扭缆保护套，在风力发电机组中用于固定和保护动力电缆及控制电缆。相对于整个风力发电机组来说，它只是一个比较普通的结构部件。但是，偏航扭缆装置设计的不合理，可能导致电缆磨损或者拉断，影响机组的安全和后期运行维护。

1偏航扭缆保护装置设计

1.1偏航扭转电缆分布圆直径的确定

本文基于湘电风能有限公司的5MW海上风力发电机组进行偏航扭缆装置优化设计，其通过扭缆装置的电缆明细见表1。根据电缆布置原则，把不同相的电缆合并成系统，并且一个系统内的电缆间距小于电缆系统间距。将表1中电缆优化分为6组，如图3所示，排列的电缆分布圆直径为d。其中，序号12的电缆为6根主电缆，按A、B、C三相一组分为两组。确定电缆分组排列形式后，再计算电缆分布圆直径。由于各组电缆不同，故仅选取尺寸最大的电缆12的A、B、C三相一组进行考虑，其余分组电缆较细，可通过包裹胶皮扩大外径，从而达到在电缆护套中夹紧的目的。如图4所示，电缆12的3个直径为Φ46mm的电缆相切排列成组，其外切圆直径为Φ99mm。电缆组与组之间至少要留有一根电缆直径的间隙，共有6组电缆分布，故电缆分布圆的周长L近似为（99+46）×6=870mm。分布圆直径d计算公式为：适当放宽电缆组之间的间隙，同时也为了制造便利，我们将本项目的电缆分布圆直径d圆整为300mm。

1.2偏航扭缆保护装置长度的确定

根据机组总体设计要求，当机头偏航两周，即当机组偏航角度达到720°时，控制系统开始解缆工作。假设电缆在扭转过程中不会拉伸，且参与扭转的电缆分布圆不变，偏航两周后电缆线束为圆柱螺旋线，则电缆提升的理论距离为：机头固定部分到限摆架处电缆扭转自由度限制处的距离h=11 400mm。将相关数值代入式（2）计算得：Δh=154.6mm。由于本项目平台及限摆架处卡口厚度为35mm，则扭缆护套提升部分距离必须大于154.6+35≈190mm。考虑到安装及运行误差，上下各留10%的裕度，最终确定扭缆护套可滑动部分为230mm。最终设计的扭缆保护套尺寸如图5所示。

2自适应偏航控制系统设计

2.1偏航容忍偏差

根据IEC标准可知，风速越大，湍流越小，风向变化越小，风能越集中。但是偏航容忍偏差并不是越小越好，因为偏航容忍偏差过小，风机偏航次数越多。例如小风时，风向变化比较快，如果没有设置好合适的偏航容忍偏差，风机就会频繁偏航，不仅会降低偏航机构寿命，而且也不利于提高发电量。所以为了使偏航控制系统具有较好的自适应性，提高偏航的有效性，本文将偏航容忍偏差大小与风速、风机发电状态等信息相关联。风速不同，偏航容忍偏差也随之改变，减少小风风向频繁变化时偏航机构的频繁动作，同时也提高大风风向稳定时的偏航对风精度。

2.2自适应卡尔曼滤波

Kalman滤波是目前应用最为广泛的滤波方法。卡尔曼滤波器用反馈控制的方法估计过程状态：滤波器估计过程某一时刻的状态，然后以（含噪声的）测量变量的方式获得反馈。因此卡尔曼滤波器可分为两个部分：时间更新（预测）方程和测量更新（校正）方程。时间更新方程负责及时向前推算当前状态变量和误差协方差估计的值，以便为下一个时间状态构造先验估计;测量更新方程负责反馈。也就是说，它将先验估计和新的测量变量结合以构造改进的后验估计。时间更新方程也可视为预测方程，测量更新方程可视为校正方程。最后的估计算法成为一种具有数值解的预估-校正算法。由于风向角xk不会瞬时变化，所以在本设计中假设前后两个时刻的风向角不变，状态一步预测方程为：在式（4）中，过程激励噪声协方差Q是非常小的定值，观测噪声协方差Rk不是固定的值，而是根据风机风轮转速、风机发电状态等信息进行自适应调整。

结语

通过对比，我们发现提升高度的理论值与实际测量值基本一致，分析如下：（1）理论计算假定电缆分布圆直径为恒定的300mm，而实际运行时，分布直径会因为电缆扭转互相挤压变小。实际电缆曲线不是一个标准的圆柱螺旋线，而是呈现有锥度走向的圆锥螺旋线。尤其当扭缆护套数量少、保护套间距大时，实际提升距离比理论值小。（2）理论计算时，假设电缆不会发生弹性拉伸。实际偏航扭转过程中，电缆将会发生弹性拉长，导致电缆偏航提升的距离比理论计算值偏小。

参考文献

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