风力发电机组偏航控制系统技术分析及应用

邓华森

摘要：风力发电作为可再生清洁能源，能够实现将风能进行转化为电能加以利用，在能源替代与节能减排的低碳电力发展中扮演重要角色。风速具有概率随机性和参数模糊性的多重不确定性特征，需要对风力发电机组进行偏航控制，本文详细对风力发电机组偏航控制系统技术进行了分析，并介绍了风力发电机组偏航控制系统技术的相关应用情况。

关键词：风力发电;机组;偏航;控制技术

0 引言

风能作为一种清洁的可再生能源而越来越受到人们的关注，作为风能利用的主要 形式，风力发电备受瞩目。风力发电过程中，风向可能会随时变化，这就需要对风电机组进行偏航控制。偏航控制是在可用风速范围内对风电机组自动准确控制，从而提高风能的利用率。目前偏航角度的测量通常采用电位计的方式进行，由于电位计的本身特性缺陷，以及电位计输出的信号极易受到外界的干扰，而且，电位计的长期使用也可能会使得偏航角度对应的信号出现异常，需要对偏航角度的测量方法加以改进，提高风力发电机组偏航控制系统的控制性能。本文首先分析了风力风电机组的基本结构和基本原理，之后阐述了风力发电机组具体的偏航控制技术。

1 风力发电机组

1.1 海上风电概述

当下我国正在进行能源转型，走绿色发展道路已经成为共识，海上风电则是推动这一战略早日落地的重要力量。对中国来说尤其如此，我国沿海11个省份的GDP约占全国的一半，总能耗也占全国的一半左右。对于这些地区而言，海上风能资源丰富，新能源电力消纳能力强，大力发展海上风电将是加快能源转型进程的重要手段。目前我国海上风电开发已经进入了规模化、商业化发展阶段。我国海上风能资源丰富，根据全国普查成果，我国5～25米水深、50米高度海上风电开发潜力约2亿千瓦;5～50米水深、70米高度海上风电开发潜力约5亿千瓦。根据各省海上风电规划，全国海上风电规划总量超过8000万千瓦，重点布局分布在江苏、浙江、福建、广东等省市，行业开发前景广阔。近年来海上风电得到了大力发展，国家出台了多项政策鼓励发展海上风电，并走出国门开始与国外共同开发海上风电资源。多项海上风电政策的发布将进一步促进海上风电的建设与发展。

2013-2017年，我国海上风电机新增容量和累计容量呈逐渐扩大的趋势。2017年，新增装机319台，新增装机容量达到116万千瓦，同比增长96.5%，累计装机达到279万千瓦[2]。未来一段时间，海上风电还有望进一步提速。这种情况下，要保障我国海上风电又快又好地发展，仍有一些隐忧必须尽快排除。首先是政策环境需要优化，其次是必须强化创新力度，最后是加强对海上风电机组的性能，推动海上风电的进一步高质量发展。

1.2 风力发电机组的结构

近年来，传统能源不仅传出能源紧缺问题，更由于其污染气体的排放引发环境问题而让人深恶痛绝。全球能源结构的转型势在必行，清洁能源正在逐渐取代传统能源的使用。风力发电作为重要的能源形式，由于其具有节能减排，取之不尽的特性深受喜爱，未来风力发电发电在我国的应用范围将会进一步扩大。对于风力发电机组，包括主轴、多级传动齿轮箱、联轴器、发电机，主軸、多级传动齿轮箱、联轴器、发电机依次顺接，主轴、多级传动齿轮箱、发电机上均设有加速度传感器，加速度传感器设有信号线连接头，信号线连接头与振动监测仪连接，这也是一种可以实时监控风电厂风力发电机组运行状况的设备。

2 风力发电机组的偏航控制技术

2.1 风力发电机组的控制方法

风电以其清洁环保的优势逐渐发展成目前被广泛认可的可再生能源，然而一些因素也制约了风电能源的使用和推广，其中风力发电机组的控制技术水平是需要解决的问题之一。对于风力发电机组的控制方法，其包括以下步骤：步骤一是通过本地或远程通信系统，获取预估的风况特征值和风机运行状态初始值;步骤二是根据预估的风况特征值、风机运行状态初始值和风力发电机组控制参数，计算各时间点的风电机组的运行状态值;步骤三是将步骤二的风电机组的运行状态值与风电机组的设计安全阀值进行比较;步骤四是采取降低吸收功率系数和提高功率输出的方法，得到修正的风力发电机组控制参数;步骤五是将满足设计安全阀值的风力发电机组控制参数，作为最终风机控制系统的执行参数。采用这种方法提高了风电机组响应速度，避免停机带来的能量损耗和机械载荷。

2.2 风力发电机组的偏航控制系统

风电目前的技术较为成熟，应用也较为广泛，在风力发电机组的偏航控制系统中，需要测量风力发电机组的偏航角度。对于风力发电机组偏航角度的测量方法和装置，该方法需要获取风力发电机组偏航过程中偏航轴承齿轮带动小齿轮旋转时同步输出的至少两路脉冲信号。根据该至少两路脉冲信号的周期特性，确定风力发电机组的偏航方向。根据风力发电机组的偏航方向和该至少两路脉冲信号的脉冲数统计，确定风力发电机组的偏航角度。采用这种方法，从而可以提高风力发电机组偏航角度的测量精度。

同时对于风力发电机被动式偏航制动系统，包括偏航制动器、偏航齿圈和机舱主结构，其特征在于偏航制动器通过高强度螺栓连接在机舱主结构上，且高强度连接螺栓孔分布为直线型;机舱主结构与偏航齿圈之间装有上摩擦片，上摩擦片支承整个机舱和风轮质量，并提供一部分摩擦制动力矩。偏航制动器的卡钳体与偏航齿圈之间分别装有径向摩擦片和下摩擦片组件，径向摩擦片与偏航齿圈耦合并起到径向弹性支承作用。下摩擦片组件由下摩擦片、碟形弹簧组件和预紧机构组成，下摩擦片下面通过碟形弹簧组件连接预紧机构，由预紧机构的螺母来调节碟簧组件使下下摩擦片产生对偏航齿圈下表面的压紧力，与偏航齿圈下表面一起产生摩擦制动力矩。

3 风力发电机组偏航控制系统技术的应用

能源是人类社会赖以生存发展的资源之一。由于全球能源形势日益严峻，各国都意识到能源在未来的发展竞争中将发挥日益重要的作用，纷纷加入到开发利用新能源的行列中。风光等新能源的出现可以有效降低对传统化石能源的过分依赖，缓解当前的能源紧张形势，而且新能源具有对环境污染小和可持续发展等优势，在未来社会的能源结构中将占有重要地位。

风电作为一种可以持续利用的能源，具有清洁性的优点。风电资源在我国分布十分富裕，随着对风电资源的不断利用和发展，我国并网风电发电系统的装机容量也不断增加。针对我国目前的情况来说，对于并网风电发电系统的研究还不完善，需要加强对风力发电机组偏航控制系统技术的研究，提高风力发电机组的发电性能，扩大风力发电在实际电力系统中的应用。在今后的风力发电机组中，应提高风力发电机组偏航控制系统的技术水平，采用先进的控制算法，使得风力发电机组并网后系统保持安全稳定运行。

4 结论

近年来风电的装机容量在不断扩大，风力发电在系统中的占比不断提高，可再生能源发电已经成为我国重要的能源形式之一。本文系统分析了风力发电机组偏航控制系统的原理和具体的控制技术，在实际的风力发电机组偏航控制系统中可以加以应用。

参考文献

[1] 邢作霞， 项尚， 徐健， et al. 风电机组偏航系统实验平台[J]. 实验技术与管理， 2019， 036（006）：85-87.

[2] 陈思， 郭鹏. 基于综合经济效益目标的风电机组偏航控制策略研究[J]. 动力工程学报， 2019， 39（4）：286-292.

[3] 李杰义， 马丽， 顾煜炯， et al. 基于决策树的风电机组偏航启停优化研究[J]. 可再生能源， 2019（6）：65-66.