毛 江，蔡義鈞，張斯翔，張冬梅，黃 虎，鄧博宇

(1.中國長江三峽集團有限公司，北京 100038；2.太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024)

0 引言

隨著高風速、低湍流理想風場的開發(fā)殆盡，風機朝著大型化、低風速方向?qū)で蟀l(fā)展，在此背景下，風機能夠快速地響應(yīng)湍流風速和風向的變化，最大限度地捕獲風能，特別是提高小風期間風電機組的平均利用小時數(shù)，從而提高風電機組發(fā)電量，是當前面臨的重要問題[1]。

偏航系統(tǒng)是風電機組的重要組成部分,偏航系統(tǒng)主要實現(xiàn)自動對風、偏航解纜兩個功能。為了充分利用風能資源、提高機組的發(fā)電性能，優(yōu)化偏航系統(tǒng)的控制策略是最直接有效的方法之一[2-4]。

本文對湍流風況下偏航風速區(qū)間進行了劃分、優(yōu)化了偏航啟動和停止控制策略、優(yōu)化了低風速下偏航條件的判斷，從而達到提高控制系統(tǒng)響應(yīng)速度和可靠性的目的。

1 偏航系統(tǒng)

1.1 偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風向是不斷變化的，通過偏航系統(tǒng)使風電機組機艙能夠跟隨風向不斷改變方向來始終保持迎風狀態(tài)，從而可以最大效率地捕獲風能。對于并網(wǎng)型風電機組來說，偏航系統(tǒng)通常都采用齒輪驅(qū)動形式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，四臺偏航電機與偏航內(nèi)齒圈嚙合，偏航內(nèi)齒圈與塔架固定在一起，偏航外圈與機艙固定,偏航電機也固定在機艙上，偏航時偏航電機驅(qū)動偏航軸承內(nèi)圈輸出轉(zhuǎn)矩，偏航內(nèi)齒圈通過與偏航外圈的嚙合，帶動整個機艙轉(zhuǎn)動，從而達到機艙偏航對風的目的。

圖1 偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 偏航原理

由空氣動力學(xué)可知，風電機組從風中所能獲取的能量[5]可表示為：

(1)

其中：P為風機實際得到的有功功率輸出;ρ為空氣密度;S為風輪掃掠面積;v為機組風速;Cp為風能利用系數(shù)。

當機艙與風向偏離出現(xiàn)θ偏航誤差角度時，風電機組風速將從原來的v變成vcosθ，從而降低了風機從風中捕獲的能量。此時，偏航控制系統(tǒng)就會控制偏航驅(qū)動裝置中的四臺偏航電機向當前風向同步運轉(zhuǎn)，直到機艙位置與風向儀測得的風向相一致。機艙可以順時針和逆時針兩個方向旋轉(zhuǎn)。

2 偏航對風控制策略優(yōu)化

2.1 湍流風況下偏航風速區(qū)間劃分

根據(jù)風向、風速與風機能量的關(guān)系，對偏航對風控制策略進行了改進，根據(jù)湍流風況的特點，將偏航對風分成小風偏航對風和大風偏航對風兩種偏航控制策略。

風速在6 m/s以下為小風區(qū)間，在該區(qū)間風向變化比較大，根據(jù)這一特點，采用30 s風向相對機艙角度，偏航啟動對風閥值設(shè)置為16°，偏航停止對風閥值設(shè)置為2°左右。

風速在7 m/s以上為大風區(qū)間，該區(qū)間是風電機組主要發(fā)電區(qū)間，且在這個區(qū)間風向變化不會太大，根據(jù)這一特點，采用30 s風向相對機艙角度，偏航啟動對風誤差閥值設(shè)置為8°，偏航停止對風閥值設(shè)置成2°左右。當風速超過了額定風速，風電機組已處于滿發(fā)狀態(tài)，風電機組與風向偏航誤差角度將幾乎影響不到風電機組發(fā)電量，但是會影響到機組的整機載荷。根據(jù)這一特點，采用30 s風向相對機艙角度，偏航啟動對風閥值設(shè)置為8°，偏航停止對風閥值設(shè)置為4°左右。

風速在3 m/s附近，風機從風中獲得的能量較小，且風向不穩(wěn)定、易發(fā)生較大變化，此時若偏航啟動后30 s平均風速降低到3 m/s以下，會導(dǎo)致偏航馬上結(jié)束，然后風速上升到3 m/s以上，如果此時30 s平均風向大于40°(立即啟動偏航角度)，偏航又會馬上啟動，如此往復(fù)，將會造成設(shè)備頻繁啟動，降低設(shè)備的可靠性及使用壽命。因此，需要優(yōu)化低風速下允許偏航的判斷條件，針對這一問題將在下文中進行詳細分析。

2.2 優(yōu)化偏航啟動和停止控制策略

在偏航過程中，偏航的目標是30 s平均風向在2°以內(nèi)就停止。但是由于風向標的硬件特性，導(dǎo)致風向標容易出現(xiàn)類似3°→0°→359°的變化趨勢，導(dǎo)致程序誤認為偏航已經(jīng)到另外一個方向(比如風向在左邊，偏航到了右邊)，偏航需要停止，而從3 s平均風向和30 s平均風向來看，此時還未對風正確。

為了避免偏航運行過程中由于風向的頻繁變化導(dǎo)致的偏航方向指令跳變，及其引起的偏航停止又立即啟動的情況出現(xiàn)，優(yōu)化了偏航啟動邏輯和停止邏輯的判斷時機。在偏航運行過程中，程序只運行停止邏輯，偏航停止控制策略如圖2所示。在偏航停止過程中，程序只運行啟動邏輯，偏航啟動控制策略如圖3所示。

圖2 偏航停止控制策略

在風速小于6 m/s時，機組獲得風能較小，且風向不穩(wěn)定，延時設(shè)定為120 s，偏航啟動風向誤差是16°，有效地減少了偏航時間和次數(shù)，降低了偏航設(shè)備損耗。

在風速大于7 m/s時，風向變化不會太大，設(shè)定延時為60 s，偏航啟動風向誤差是8°，因為大風風向偏差不能差太多，如果風電機組不及時偏航對風，會影響到機組的整機載荷。

風速在6 m/s～7 m/s之間時，保持上一個偏航控制模式不變。

優(yōu)化后，在偏航運行過程中程序只運行停止邏輯，在偏航停止時程序只運行啟動判斷邏輯。這樣就避免了在偏航運行過程中由于風向的變化導(dǎo)致的偏航方向指令跳變的情況，從而避免了偏航立刻停止然后又啟動的情況出現(xiàn)。

2.3 優(yōu)化低風速對于偏航停止的影響

在小風情況，30 s平均風向在3 m/s附近不穩(wěn)定時，若偏航啟動后30 s平均風速降低到3 m/s以下會導(dǎo)致偏航馬上結(jié)束，然后風速上升到3 m/s以上，如果此時30 s平均風向大于40°(立即啟動偏航角度)，偏航又會馬上啟動，如此往復(fù)。

為了避免這種低風速引起的偏航頻繁啟停現(xiàn)象，采用的優(yōu)化控制策略如圖4所示，當風速大于3 m/s計時器加計數(shù)，當風速小于3 m/s計時器減計數(shù)。

圖4 低風速不允許偏航判斷邏輯

這里引入開關(guān)量V_NoYawWind(風速低不允許偏航)，計時器加到60 s時，說明風況滿足并允許偏航動作，V_NoYawWind置0；計時器減到0 s時，說明風速過低不允許偏航動作，V_NoYawWind置1；若計時器介于0 s～60 s之間，V_NoYawWind值保持不變。采用上述控制策略，在偏航啟動后，風速突然降低，那么本次偏航動作不會被打斷，將執(zhí)行完本次動作，此種情況下最多偏航60 s。低風速判斷時序圖如圖5所示。

圖5 低風速不允許偏航判斷時序圖

3 優(yōu)化后測試及結(jié)果分析

3.1 偏航風向分布結(jié)果

對優(yōu)化后的風機和未優(yōu)化的風機進行了10天的風向統(tǒng)計計數(shù),在風機發(fā)電狀態(tài)下，針對偏航停止時刻的風向與機艙夾角，每20 min取樣一個3 s相對風向，每隔1°為一個區(qū)間。

優(yōu)化前后偏航風向分布對比如圖6所示,偏航相對風向分布在0°附近更加集中，提升效果明顯。表明新的偏航算法降低了偏航角度誤差。

圖6 優(yōu)化前、后偏航風向分布對比

3.2 偏航啟動間隔和偏航電機最小時間

優(yōu)化前后偏航激活時間和最小偏航間隔如圖7所示，對比優(yōu)化前和優(yōu)化后偏航激活時間(Last Cw/CcwActive Time)和最小偏航間隔(Min Yaw Interval)，可以看出優(yōu)化后偏航激活時間降低，偏航時間優(yōu)化到正常范圍，且最小偏航間隔時間提高，表明沒有出現(xiàn)頻繁的啟停偏航問題。優(yōu)化后最小偏航角度(Min Yaw Angle)較小，表明優(yōu)化后后偏航確實動作范圍小、時間短，符合預(yù)期。

圖7 優(yōu)化前、后偏航激活時間和最小偏航間隔

4 結(jié)論

該控制系統(tǒng)已在多個風電場得以應(yīng)用。實踐表明，優(yōu)化后偏航相對風向在0°附近更加集中，偏航電機兩次啟動時間間隔更大，偏航電機運行最小時間變長，提升效果明顯。表明新的偏航算法，降低了偏航角度誤差,有效地減少了偏航次數(shù)與偏航時間，從而降低了偏航自耗電量，提高了風電機組的發(fā)電性能，降低了風機偏航系統(tǒng)部件故障率。該控制策略可以直接應(yīng)用于實際工程領(lǐng)域。