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摘要：风能是一种永不枯竭的清洁能源，相比于其它利用新型清洁能源的技术，风力发电技术较为成熟，具有商业化的推广模式。因此，风力发电在世界范围内得到了快速发展，已成为当今世界发展速度最快的能源形式[1]。目前，很多国家对风电技术进行了深入研究，在很多方面取得了一定的成果，从而对机组偏航控制有了更高的要求。
关键词：风力发电机；偏航控制；机舱位置偏差
引言
作为一种无污染的可再生能源，风能开发有着巨大的经济、社会、环保价值和发展前景。随着社会对能源的急剧需求，我国风力发电的单机容量已发展到兆瓦级机组，控制方式从基本的定桨距失速型控制转向变桨距控制，对风力发电机的控制系统也有了越来越高的要求[2]。风力发电机组的偏航调向系统，可以使风轮最大程度地保持迎风状态，从而高效地利用风能，进一步降低发电成本，有效地保护风力发电机，是风力发电机组电控系统必不可少的重要组成部分[3]。本文介绍了一种偏航系统的设计及实现方式，通过偏航变频器控制电机，实现偏航软启动及停止。从而最大限度的减少偏航时对机组的冲击。
1风力发电机偏航控制系统
偏航系统通过风向风速传感器检测风向和风速，并将检测到的数据送至偏航控制器处理，控制器可根据处理结果发出指令，进而由系统执行相应的偏航操作。根据运行原理，该系统可分为外环和内环2个部分：外环检测元件可检测机舱位置，通过与风向信号的对比计算得出风向与机舱位置的夹角，并据此判断是否需要偏航以及向哪个方向偏航；内环偏航计数器计算偏航角度及机舱位置，并可记录电缆的旋转角度，执行解缆操作。
图1 偏航系统图
2 风力发电机的偏航控制过程
根据上述风力发电机的偏航控制原理，可分解整个偏航系统的控制过程：①在最大运行风速范围内执行自动偏航。②超出最大运行风速范围时执行 90o 侧风；③为了防止电缆过度缠绕，可自动解缆，并在风机故障或维修时执行手动偏航。
在偏航过程中，风力发电机始终处于正常运行状态。而风轮的旋转和机舱的转动使风力发电机的受力较为复杂，会直接影响风力发电机的使用寿命。现有的偏航控制系统的作用是保持机舱方向与风向一致，从而使风力发电机获得更多的风能。偏航系统的滞后性和风向的频繁变化会导致机舱难以精确对风。此外，风向的频繁变化也会导致偏航机构频繁动作，进而影响偏航机构的寿命。[4]
3新型风力发电机偏航控制系统
偏航系统的硬件构成示意图如图2所示。
图2 硬件结构示意图
由图可见，主控制系统给偏航变频器及偏航电机供电，并通过通信实现与偏航系统之间的信息传递。偏航变频器驱动电气并行连接的偏航电机，共同驱动偏航齿轮箱，偏航齿轮箱沿着偏航大齿边缘转动来旋转机舱位置。偏航大齿轮固定在塔筒上，偏航电机的驱动由偏航变频器来完成。另外，通过触发手动操作按钮，偏航变频器也可以启动偏航。偏航变频器通过和偏航控制设备硬件信号互锁，以防止电缆缠绕过度。
3.1偏航控制设备
每个偏航控制设备有一个边缘与偏航齿轮啮合的小齿轮。当机舱偏航时偏航控制设备的轴处于旋转状态，同时偏航控制设备把如下信号传给主控制器：
1）左和右限位警告信号：通过这种方式，机组可以在偏航扭揽保护被激活之前安全地停止。扭揽保护通常需要现场的人员进行手动处理。
2）左/右方向信号：可以判断出机舱位置在零位的左侧还是右侧。
3）增量式编码器信号：计算机舱的实际偏航位置。
3.2 机舱零位
机舱的零位总是随凸轮开关左/右信号的转变而更新。由于左/右偏航时凸轮开关的机械滞后以及凸轮和转轴之间的高传动比，在机舱从左向右或自右向左偏航过程中，就可以观察到一个相对大的机舱位置误差。
机舱的偏航速度每隔2秒钟就会依据机舱开始和结束的位置差计算一次，在这段时间内，可以计算出偏航驱动速度在2秒内的总值和平均值。通过偏航驱动齿轮箱和小齿轮齿比来计算期望的机舱旋转速度，这也可以用于校验偏航速度。对于2s的速度测量周期和软件中的滤波常数，模块循环时执行的是独立的循环周期。
3.3机舱位置偏差计算
为了能将风机更好的对准风向，在执行偏航的过程中，要求的机舱位置和实际的机舱位置之间的具有一定的偏差。首先相对于风机的方向，将气象设备直接测量到的风向值作为此偏航位置误差。
图3 机舱位置误差计算
当需要使用较长的位置误差滤波时间常数来抑制偏航惯性或者由于突然的激烈的风向变化导致的风机偏离风向时，上面描述的计算方法则会出现不准确和不稳定的问题。如果对测量的风向使用较长时间的滤波，不管机舱是否在偏航，计算的位置误差会都会包含一个人为误差。这样处理的滤波位置误差总是过大，会导致风机偏离预期的方向。
因此，风向的计算是在塔筒的绝对坐标系计算的风向值加上实际的机舱位置，以塔筒坐标系计算的风向值可以在采用较长时间周期的滤波。将此风向值减去实际的机舱位置，就会得到期望的机舱误差。在高风速时，对存在的位置误差需要一个快速的偏航反应，在低风速时，需要一个较慢的偏航反应。
3结语
本文在分析风力发电机偏航系统的原理和结构的基础上，根据风力发电机偏航控制系统的特点，设计了采用新型偏航控制策略的偏航控制系统，其控制策略结合了机舱位置偏差计算。该方案设定的偏差角小于预设角度时偏航机构不运行，减少了偏航对风力发电机的冲击，延长了风电发电机相关部件的使用寿命。具有一定的经济性和实际意义。
参考文献
[1]金长生.风力发电机偏航控制系统的研究[D].大连：大连理工大学，2010.
[2]汪萍萍.风力发电机组偏航控制系统的设计与研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2012.
[3]王承煦,张源.风力发电[M].北京:中国电力出版社,2006.
[4]倪受元.风力机的工作原理和气动力特性[J].太阳能,2005(3):160-165
作者介绍
张广斌（1980.l，l），性别：男；籍贯：甘肃天水；民族：汉；学历：研究生、硕士；职称：工程师；职务：电气设计工程师；研究方向：控制系统；单位：东方电气风电有限公司。
论文作者:张广斌
论文发表刊物:《电力设备》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/19
标签：偏航论文; 机舱论文; 风向论文; 位置论文; 风力发电机论文; 误差论文; 控制系统论文; 《电力设备》2017年第15期论文;