李小沛 劉國(guó)營(yíng)

摘要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)和偏航機(jī)構(gòu)具有滯后性問(wèn)題，當(dāng)風(fēng)向和風(fēng)速頻繁變化時(shí)，風(fēng)輪平面無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)風(fēng)的來(lái)向，這會(huì)導(dǎo)致偏航機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)作，增加機(jī)械損耗，進(jìn)而影響偏航機(jī)構(gòu)的壽命。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種基于卡爾曼濾波的自適應(yīng)偏航控制策略，使風(fēng)機(jī)具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性，降低偏航頻次，提高對(duì)風(fēng)精度。最后，通過(guò)數(shù)字仿真及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)試驗(yàn)證，充分說(shuō)明本文所述的基于卡爾曼濾波的自適應(yīng)偏航控制策略能夠明顯降低偏航頻次，提高對(duì)風(fēng)精度，提升發(fā)電量，使風(fēng)機(jī)具有一定的自適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī);偏航系統(tǒng);控制策略

引言

隨著不可再生資源的匱乏以及環(huán)境污染的加劇，風(fēng)能作為一種清潔性高、可持續(xù)性強(qiáng)、資源豐富的可再生資源已日益受到世界各國(guó)的關(guān)注。截至2016年末，全球累計(jì)風(fēng)電容量達(dá)到487GW。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃，到2020年底，全國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)確保達(dá)到2.1億千瓦以上。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是用于捕獲風(fēng)能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，無(wú)論是直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，還是雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，都有一些相同的部件，如保護(hù)從機(jī)頭到塔筒電纜轉(zhuǎn)向處電纜的偏航扭纜裝置。偏航扭纜裝置是電纜夾具的一種，也叫偏航扭纜保護(hù)套，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中用于固定和保護(hù)動(dòng)力電纜及控制電纜。相對(duì)于整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，它只是一個(gè)比較普通的結(jié)構(gòu)部件。但是，偏航扭纜裝置設(shè)計(jì)的不合理，可能導(dǎo)致電纜磨損或者拉斷，影響機(jī)組的安全和后期運(yùn)行維護(hù)。

1偏航扭纜保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

1.1偏航扭轉(zhuǎn)電纜分布圓直徑的確定

本文基于湘電風(fēng)能有限公司的5MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行偏航扭纜裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)，其通過(guò)扭纜裝置的電纜明細(xì)見(jiàn)表1。根據(jù)電纜布置原則，把不同相的電纜合并成系統(tǒng)，并且一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的電纜間距小于電纜系統(tǒng)間距。將表1中電纜優(yōu)化分為6組，如圖3所示，排列的電纜分布圓直徑為d。其中，序號(hào)12的電纜為6根主電纜，按A、B、C三相一組分為兩組。確定電纜分組排列形式后，再計(jì)算電纜分布圓直徑。由于各組電纜不同，故僅選取尺寸最大的電纜12的A、B、C三相一組進(jìn)行考慮，其余分組電纜較細(xì)，可通過(guò)包裹膠皮擴(kuò)大外徑，從而達(dá)到在電纜護(hù)套中夾緊的目的。如圖4所示，電纜12的3個(gè)直徑為Φ46mm的電纜相切排列成組，其外切圓直徑為Φ99mm。電纜組與組之間至少要留有一根電纜直徑的間隙，共有6組電纜分布，故電纜分布圓的周長(zhǎng)L近似為（99+46）×6=870mm。分布圓直徑d計(jì)算公式為：適當(dāng)放寬電纜組之間的間隙，同時(shí)也為了制造便利，我們將本項(xiàng)目的電纜分布圓直徑d圓整為300mm。

1.2偏航扭纜保護(hù)裝置長(zhǎng)度的確定

根據(jù)機(jī)組總體設(shè)計(jì)要求，當(dāng)機(jī)頭偏航兩周，即當(dāng)機(jī)組偏航角度達(dá)到720°時(shí)，控制系統(tǒng)開(kāi)始解纜工作。假設(shè)電纜在扭轉(zhuǎn)過(guò)程中不會(huì)拉伸，且參與扭轉(zhuǎn)的電纜分布圓不變，偏航兩周后電纜線束為圓柱螺旋線，則電纜提升的理論距離為：機(jī)頭固定部分到限擺架處電纜扭轉(zhuǎn)自由度限制處的距離h=11 400mm。將相關(guān)數(shù)值代入式（2）計(jì)算得：Δh=154.6mm。由于本項(xiàng)目平臺(tái)及限擺架處卡口厚度為35mm，則扭纜護(hù)套提升部分距離必須大于154.6+35≈190mm?？紤]到安裝及運(yùn)行誤差，上下各留10%的裕度，最終確定扭纜護(hù)套可滑動(dòng)部分為230mm。最終設(shè)計(jì)的扭纜保護(hù)套尺寸如圖5所示。

2自適應(yīng)偏航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1偏航容忍偏差

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)可知，風(fēng)速越大，湍流越小，風(fēng)向變化越小，風(fēng)能越集中。但是偏航容忍偏差并不是越小越好，因?yàn)槠饺萑唐钸^(guò)小，風(fēng)機(jī)偏航次數(shù)越多。例如小風(fēng)時(shí)，風(fēng)向變化比較快，如果沒(méi)有設(shè)置好合適的偏航容忍偏差，風(fēng)機(jī)就會(huì)頻繁偏航，不僅會(huì)降低偏航機(jī)構(gòu)壽命，而且也不利于提高發(fā)電量。所以為了使偏航控制系統(tǒng)具有較好的自適應(yīng)性，提高偏航的有效性，本文將偏航容忍偏差大小與風(fēng)速、風(fēng)機(jī)發(fā)電狀態(tài)等信息相關(guān)聯(lián)。風(fēng)速不同，偏航容忍偏差也隨之改變，減少小風(fēng)風(fēng)向頻繁變化時(shí)偏航機(jī)構(gòu)的頻繁動(dòng)作，同時(shí)也提高大風(fēng)風(fēng)向穩(wěn)定時(shí)的偏航對(duì)風(fēng)精度。

2.2自適應(yīng)卡爾曼濾波

Kalman濾波是目前應(yīng)用最為廣泛的濾波方法?？柭鼮V波器用反饋控制的方法估計(jì)過(guò)程狀態(tài)：濾波器估計(jì)過(guò)程某一時(shí)刻的狀態(tài)，然后以（含噪聲的）測(cè)量變量的方式獲得反饋。因此卡爾曼濾波器可分為兩個(gè)部分：時(shí)間更新（預(yù)測(cè)）方程和測(cè)量更新（校正）方程。時(shí)間更新方程負(fù)責(zé)及時(shí)向前推算當(dāng)前狀態(tài)變量和誤差協(xié)方差估計(jì)的值，以便為下一個(gè)時(shí)間狀態(tài)構(gòu)造先驗(yàn)估計(jì);測(cè)量更新方程負(fù)責(zé)反饋。也就是說(shuō)，它將先驗(yàn)估計(jì)和新的測(cè)量變量結(jié)合以構(gòu)造改進(jìn)的后驗(yàn)估計(jì)。時(shí)間更新方程也可視為預(yù)測(cè)方程，測(cè)量更新方程可視為校正方程。最后的估計(jì)算法成為一種具有數(shù)值解的預(yù)估-校正算法。由于風(fēng)向角xk不會(huì)瞬時(shí)變化，所以在本設(shè)計(jì)中假設(shè)前后兩個(gè)時(shí)刻的風(fēng)向角不變，狀態(tài)一步預(yù)測(cè)方程為：在式（4）中，過(guò)程激勵(lì)噪聲協(xié)方差Q是非常小的定值，觀測(cè)噪聲協(xié)方差Rk不是固定的值，而是根據(jù)風(fēng)機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)發(fā)電狀態(tài)等信息進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)提升高度的理論值與實(shí)際測(cè)量值基本一致，分析如下：（1）理論計(jì)算假定電纜分布圓直徑為恒定的300mm，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)，分布直徑會(huì)因?yàn)殡娎|扭轉(zhuǎn)互相擠壓變小。實(shí)際電纜曲線不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓柱螺旋線，而是呈現(xiàn)有錐度走向的圓錐螺旋線。尤其當(dāng)扭纜護(hù)套數(shù)量少、保護(hù)套間距大時(shí)，實(shí)際提升距離比理論值小。（2）理論計(jì)算時(shí)，假設(shè)電纜不會(huì)發(fā)生彈性拉伸。實(shí)際偏航扭轉(zhuǎn)過(guò)程中，電纜將會(huì)發(fā)生彈性拉長(zhǎng)，導(dǎo)致電纜偏航提升的距離比理論計(jì)算值偏小。

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