风力机偏航时的控制方法讨论.docx

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风力机偏航时的控制方法讨论

@水ox

空气动力学

（2010—2011学年第二学期）

专

电气工程及其自动化

题

E:

风力机偏航时的控制方法讨论

班

级：

电气08-1班

田武涛

学

号：

20082101043

对

20门年5月

指导教师：

张新燕

新疆大学电气工程学院

风力机偏航时的控制方法讨论

內容摘要/

风能是一种永不枯竭的淸洁能源。

相对于其它新型清洁能源，风力发电技术较为成熟，具有商业化推广模式，因此在世界范围内得到快速发展，成为当今世界增长速度最快的能源。

为提高风能的利用效率，增加风力发电机的寿命，降低风力发电的成本，很多国家都对风电技术进行了深入的研究，在很多方面都取得了进步，但偏航控制未能取得有效的发展。

针对这种情况，本论文对风力发电机的偏航系统展开了深入的研究。

风力发电机的种类很多，对应的偏航装置也多种多样，本文的研究对象是目前应用最为广泛的大功率水平轴风力发电机。

偏航控制系统的作用就是保持机舱与风向一致，使风力发电机尽可能多的荻取风能。

偏航系统的滞后性和风向的频繁变化，使得机舱很难精确的对风。

风向频繁变化也会导致偏航机构频繁动作，影响偏航机构的寿命。

目前广泛采用的仍是带有偏航容许误差的偏航控制方法，即允许风向在偏航容许误差角内变化，当风向变化超过范围时，风力发电机才进行偏航调整。

根据偏航比要求（偏航运行时间与风机运行时间的比值），改进了传统的偏航控制算法，新算法能在保证风力发电机寿命的前提下，提高了风力发电机利用风能的效率。

一、风力发电机组控制策略的发展

风能是一种能量密度低、稳定性较差的能源，由于风速、风向的随机性变化,导致风力机叶片攻角不断变化，使叶尖速比偏离最佳值，风力机的空气动力效率及输入到传动链的功率发生变化，影响了风电系统的发电效率并引起转矩传动链的振荡，会对电能质量及接入的电网产生影响，对于小电网其至会影响其稳定性。

风力发电机组通常采用柔1生部件，这有助于减小内部的机械应力，但同时也会使风电系统的动态特性复杂化，且转矩传动模块会有很大振荡。

目前，风力发电机的控制策略研究根据控制器类型的不同可分为两大类基于数学模型的传统控制方法和现代控制方法。

现代控制方法主要包括变结构控制、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等。

1.传统控制方法

当风速变化时，通过调节发电机电磁转矩或叶片节距角，使叶尖速比保持最优值，从而实现风能的最大捕获。

它采用线I生控制方法，控制是基于线性模型的基础上。

缺点是对于快速变化的风速，调节相对滞后。

同时基于某工作点的线性化模型的方法，对于工作范围较宽、随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风电系统并不适用，它只能保证在线性化工作点附近的控制效果。

2.现代控制方法

（1）变结构控制

风力发电机经常工作于正常与失速两种模态，滑模变结构控制因具有快速响应、对系统参数变化不敏感、设计简单和易于实现等优点而在风电系统中得到广泛应用。

（2）鲁棒控制

鲁棒控制具有处理多变量问题的能力，对于具有建模误差、参数不准确和干扰位置系统的控制问题，在强稳定性的鲁棒控制中可得到直接解决。

（3）自适应控制

在自适应控制器中，通过测量系统的输入输出值，实时估计出控制过程中的参数，因此控制器的增益是可调节的。

在遇到干扰和电网不稳定时自适应控制器比PI控制器多许多优点，但实时参数的难以估计是一个主要的缺点，因为它要耗费大量的计算时间。

（4）模糊控制

模糊控制是一种典型的智能控制方法，广泛用于自然科学和社会科学的许多领域，其最大的特点是将专家的知识和经验表示为语言规则用于控制，不依赖于被控对象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响，对被调节对象有较强的鲁棒性。

由于风力发电机的精确数学模型难以建立，模糊控制非常适合于风力发电机组的控制，越來越受到风电研究人员的重视。

二、偏航系统的装置

水平轴风力机一般都需要偏航装置也叫调向装置，以确保风轮能够追踪风向。

根据风轮与风向的位置，可以分为上风向式和下风向式。

下风向偏航风轮背对风向，风通过塔架后吹到风轮上，风轮能自然的对准风向，一般不需要偏航装置。

但塔架干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应，使性能有所降低。

上风向偏航风轮直接对着风向，必须使用偏航装置。

目前风机一般都为上风向式，常用的有以下儿种。

风力发电机偏航控制系统的研究

（1）尾舵调向

尾舵调向的风力发电机机结构如图，1所示。

尾舵调向主要用于小型风力发电机，它的优点是能自然地对准风向，不需要特殊的控制。

缺点是结构笨重，调向频繁。

（2）侧风轮调向

侧风轮调向装置采用1个或2个小风轮安装在机舱的侧面。

如图2所示。

其旋转轴与风轮主轴垂直。

如果主风轮没有对准风向，则侧风轮会被风吹动，产生偏向力，通过蜗轮蜗杆机构使机舱绕转向轴旋转，直到风向与侧风轮轴垂直时为止。

恻风轮调向装置既可用于上风式的风力机，也可用于下风式的风力机。

与尾舵调向装置相比，侧风轮凋向装置的优点是:

转动更加平稳柔和。

图2侧风轮调向

（3）伺服电机调向系统

伺服电机调向系统使用电机驱动转向装置，根据风向的变化调整风轮位置。

主要用于大型风力发电机组。

三、偏航原理结构

根据空气动力学中的贝兹理论，风力机能够从风中捕获并输出的功率P的表达式为.

P冷pCpDJ

式中:

P为风轮吸收的功率;P为空气密度;D为风轮扫掠的面积;CP为风力机的功率系数;v为风速。

偏航误差角&二I0-0.I小其中久为风向角度，乞为风机机舱角度。

当偏航误差为8时，风力发电机所获得的风能是风轮正对时（8二0）的cos&倍。

因此，当偏航误差为8时，损失的功率占比为：

K=100（1-cos'&）%

偏航系统是水平轴风力发电机组的重要组成部分。

功能主要有两个:

一是要控制风轮跟踪风向的变化;二是当风力发电机组出现单方向的持续偏航，机舱内引出的电缆发生缠绕时，能够自动解除缠绕。

风力发电机偏航控制系统是一个典型的随动系统，如图所示。

原理是通过风向风速传感器检测出风向和风速，并将检测到的风向与风速数据送到控制器处理，控制器根据处理的结果，发出命令进行相应的偏航操作。

其中内环的偏航计数器的作用是记录电缆的旋转角度，用于解缆操作。

外环的检测元件的作用是检测机舱位置，通过与风向信号的计算，得到风向与机舱位置的夹角，由此判断是否需要偏航，向哪个风向偏航。

四、偏航控制过程

偏航控制系统是风力发电机组电控系统的重要组成部分。

偏航控制系统实现在可用风速范围内自动准确对风，在非可用风速范围下能够90°侧风，在连续跟踪风向可能造成电缆缠绕的隋况下的自动解缆，从而使风力发电机能够运转平稳可靠，高效地利用风能，节约大量能源，进一步刚氐发电成本并且有效地保护风力发电机。

偏航控制系统作为风力发电机组特有的伺服系统，成为风力发电机组电控系统必不可少的重要组成部分。

1.偏航过程分析和算法流程

根据风力发电机偏航控制系统的作用，对整个偏航系统的控制过程进行分析。

偏航系统的控制过程可以分为:

在可用风速范围内，自动偏航;超出可用风速范围时90°侧风;为防止电缆缠绕，自动解缆;在风机维修或故障时，人工偏航。

偏航过程中风力发电机是正常运行的，风轮的旋转和机舱的转动，使风力发电机受力复杂，冲击加大，直接影响风力发电机的机械寿命。

偏航过程中，风力发电机应尽可能的走最短路径调整机舱角度。

因此，每次偏航启动前控制系统都会根据偏航角和机舱的累积转角判断偏航的方向。

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2.自动偏航

自动偏航是指风力发电机，根据风向与机舱的夹角，自动调整机舱位置,确保风轮能够准确对风，以实现风能的最大获取。

为了防止过频的执行偏航动作，保证风力发电机的寿命，偏航系统需要有一个合适的偏航误差容许角。

当超出误差范围时，系统控制器发出自动偏航指令，使机舱准确对风。

对于运行中的风机，平均风向不可能突变，所以风机绝大部分时间都在进行锐角偏航。

但对于由停机状态开始运行的风机，也有可能进行钝角偏航。

风力发电机偏航控制系统的研究。

3.90°侧风

90°侧风是指在出现特大强风等极端环境时，为了保证风力发电机的安全，停机时需要将风轮侧对风向的操作。

％。

侧风时应当使机舱走最短路径,尽量减小偏航运转时间降低风机损坏的危险性。

%“侧风时需屏蔽自动偏航指令。

在机舱调到侧风位置时，应当启动偏航刹车器。

当风向变化时，风轮同样也需要追踪风向的变化，使风轮始终保持侧风位置，确保风力发电机的安全。

4.人工偏航

人工偏航是指当风力发电机自动偏航失效，在需要维修和人工解缆时，通过人工发送命令來控制风力发电机调向的操作。

当偏航控制器接到开启人工偏航的命令后，控制器首先检测此时偏航系统是否正在进行偏航操作。

如果系统无偏航操作，则屏蔽自动偏航操作，如果系统正在进行偏航，则清除自动偏航控制标记信号;然后检测自动偏航的方向信号，如果与人工偏航方向一致，控制偏航电机继续运转，执行人工偏航;若不一致，先停止偏航电机工作，再向相反方向进行运转并记录转向，当系统检测到人工偏航停止信号出现时，停止偏航电机工作，启动偏航刹车器，清除人工偏航标志。

流程如图

5.自动解缆

由于自然风的随机性，风机的偏航方向也是不确定的。

如风力发电机持续向同一方向转动，就会造成电缆缠绕，共至绞断。

因此解缆装置成为了风力发电机偏航系统的一个重要部分。

当风机达到其自身规定的解缆角度时，系统进行自动解缆，此时风力发电机立即刹车停机，然后启动偏航电机驱动机舱反方向旋转，使机舱返回电缆无缠绕位置。

如果出现故障，自动解缆未起作用，风力发电机也设置了一个极值角度，在电缆纽转达到这个极值角度时，纽缆保护器被触发，刹车停机，报纽缆故障，等待人工解缆。

纽缆风力发电机偏航控制系统的研究.

五、控制算法现状

目前商用的主流风力发电机上使用的仍然是传统的风向反馈控制，即允许风向在偏航容许误差角内变化，当风向变化超过范围时，风力发电机就进行偏航调整。

根据风向标的不同该方法可以分为两种：

第一种采用相对风向传感器，如图3所示。

相对风向传感器由风向标、基座、角度一电信号转换器等构成。

风向标可随风自由转动，其方向与风向一致。

基座安装在机舱上，基准方向与叶轮转轴方向一致，风向标前端指向风轮。

因此，风向标与基座基准方向的夹角即为风向与叶轮转轴方向的夹角0.角度一电信号转换器由遮光罩和4只光电管构成。

遮光罩连接到风向标上，随风向标一起转动。

遮光罩带有开口，开口中心线与风向标方向平行，开口处在风向标尾部。

因为相对式传感器直接利用风向信号，故一般都取较大的偏航容许角來过滤风的高频扰动。

目前，一般风力发电机中偏航的容许误差为士±15°,因此取遮光罩开口角度=180°-20X15°=150°。

这样，在不考虑临界状态情况下，当&>15°时，光电管3亮;当&〈-15°时，光电管4亮。

设光电管亮时状态为0N,不亮时状态为OFF。

在偏航控制系统中，控制器根据4只光电管的状态对偏航电机的正反转按一定的规律进行控制。

为降低风向的随机性对偏航的影响，需要对光电管的0N状态进行3秒延时,即在光电管为0"状态持续3秒后才作为稳定的0N状态。

图3相对式风向传感器

第二种釆用绝对传感器，其在控制方法上与直接传感器没什么区别，只是因为绝对传感器能够以很高的频率和精度釆集瞬时风向信号，所以工程上一般都采用数字滤波的形式来过滤高频风波，滤波后的风向信号较为平稳，所以可以取较小一点的偏航误差角，一般取±12°o

提出了新颖的爬山算法，该算法的思想源于人工智能，最初用于寻找风力发电机偏航控制系统的研究函数最大值点。

这里用于检测发电机输出功率，根据功率的变化，配合相应算法，來控制偏航电机的转向，寻找最大功率值点，当只考虑风向对风机功率的影响时，最大功率点应在偏航角为0的位置上。

改进了爬山算法，大范围风向变化时采用风向标控制算法，可提高对风效率，小范围风向变化时釆用爬山算法，可提高对风精度。

这类基于爬上算法的方法理论上虽能提高风力发电机捕获风能的能力，但由于频繁的寻找最大功率点易于形成过频偏航，降低风机寿命，实际中很少使用。

当不考虑风机过频偏航而降低风机寿命时，偏航容许误差取值越小,风机捕获风能的效率就越高。

在基于异步电机控制的偏航系统中，由于偏航精度较低，偏航容许误差角一般都取12°o

本文设计的基于永磁同步电动机矢量控制的偏航系统，定位精度高，故可以通过适当的降低偏航容许误差角來提高效率。

但过小的偏航容许误差角，乂会影响风机的寿命。

根据国家标准，风机的偏航比Kp（偏航时间与风机运行时间的比值）一般不能超过10%。

偏航系统各部件的设计寿命也都基于该值，如果偏航比大于10%,表示风机偏航过频，偏航部件的寿命将降低，是不被允许的。

Kp过小则说明风力发电机偏航系统利用率不高，捕获风能的效率不高。

1.算法流程

一般來说，一段时间内偏航的次数越多，说明偏航系统的跟风能力越强。

但过多的偏航会影响到偏航部件的使用寿命。

根据偏航时间不能大于风机运行时间的1/10,本文提出一种基于固定时间间隔的偏航控制算法。

假设风力发电机每次偏航的平均时间为t,那就每隔lot偏航一次。

这样就能够在保证偏航比的满足国标的情况下，尽可能多的增加偏航调整次数，提高风能利用效率。

为确保改进后的算法，能够优于改进前的算法，本文将两种算法算法组合在一起，也就是说除了当偏航误差超过12°时进行偏航调向外，每隔一固定时间At也进行一次偏航，用两种控制算法同时对偏航系统进行控制,来提高风力发电机的偏航利用效率。

当At取无穷大时，与原算法相同。

当

△t取一个常值，如5分钟，10分钟等，控制系统就会通过增加偏航次数,提高对风精度，获取更多的风能。

2.模拟计算

假设风速恒定的情况下，取某一风场5小时内的风向数据，为简化计算,低通滤波后采样时间间隔lmin,并假设一分钟内风向不变，偏航操作没有误差。

图4为两种控制算法的对比。

其中a二3°,At=5分钟。

从图中可以看到，传统算法的偏航次数较少为7次，但追踪风向误差较大。

新算法能够很好的追踪风的方向，虽偏航次数较多为29次，偏航比增大，按照每次30秒计算，偏航比约为50k,低于国标中的10%,故At仍然可以继续调小。

利用图4的偏航曲线和公式计算得，传统算法的功率损失为1.9%,而新算法的功率损失仅为0.5%,功率提高了1.40k且可以保证风机的寿命。

新算法较传统算法有一定的优越性。

图4算法对比

结论

风力发电机的偏航机构本身存在一定的滞后性，当风向频繁变化时，风机叶轮迎风面无法准确对准风的來向，随之而來的系统对风的跟踪失效问题会影响风力发电机的效率。

风向和风速频繁变化也会导致偏航机构频繁动作，使机械损耗加快，从而影响偏航机构的寿命。

这一系列的问题都给风力发电系统带来了影响,研究和解决这些问题具有深远的意义。

本文首先介绍了课题背景、国内外的主要研究现状，接着介绍了风力发电偏航控制系统涉及的相关原理与结构。

详细介绍偏航控制系统的主要功能以及实现该功能的流程图。

使用永磁同步电机代替交流异步电机设计了带有电流环、速度环、位置环的控制系统，使用Matlab对该控制系统进行了仿真，结果显示使用永磁同步电机的偏航系统能够快速精确的完成偏航动作，减小偏航误差。

因此该方法对于风力发电机偏航系统的设计有一定的指导意义。

根据偏航比的要求，改进了传统的偏航控制算法，新算法能在保证风力发电机寿命的前提下，提高了风力发电机利用风能的效率。

由于自然风况十分复杂，风力发电机获取风能的效率高低需要长时间來验证，所提算法如要应用风力发电偏航系统在实际系统中的，还需要更多的工作去完成。

风力发电在解决能源和环境问题上具有积极意义，正在世界范围内得到快速发展，具有极大的社会效益与经济效益。

本文所设计的基于永磁同步电机的偏航控制和改进的控制算法只有初步的研究与简单仿真。

参考文献

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化学工业出版社,2006.

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[3]风力发电机偏航控制系统的研究

【4】尹明，李庚银，张建成，.直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略.

[5]王海云，王维庆，风力发电基础，重庆大学出版社，2010

[6]宫靖远.风电场工程技术手册，北京「机械工业出版社，2004

【7】朴海国，王志新.风电机组偏航控制系统的新型算法WHC研究，2008