苏新霞等

摘 要：为了提高风能的利用效率、延长风力发电机的寿命和降低风力发电的成本，设计了一种新型风力发电机偏航控制系统。该系统及其控制方法解决了因风向频繁变化而使机舱难以精确对风的问题和偏航系统滞后的问题。

关键词：风力发电机；迟滞环控制；固定时间间隔控制；发电成本

中图分类号：TM315 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.010

风能是一种永不枯竭的清洁能源，相比于其他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。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，但偏航控制未能取得有效发展。

1 风力发电机偏航控制系统

1.1 风力发电机偏航控制系统的原理

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；内环偏航计数器可记录电缆的旋转角度，并执行解缆操作。

1.2 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在可用风速范围内执行自动偏航。②超出可用风速范围时执行90o侧风；为了防止电缆缠绕，可自动解缆，并在风机故障或维修时执行人工偏航。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。

2 新型风力发电机偏航控制系统

本文在分析风力发电机偏航系统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。其控制策略包含迟滞环的死区效应控制和固定时间间隔控制。

2.1 基于迟滞环的死区效应控制

偏航系统的主要功能是调节风力发电机组的偏航角β，使其与风向角α相等，从而提高风能利用效率。本文首先设计了死区效应控制器，以调节偏航系统的工作状态。当风向角α与偏航角β之间的偏差角在[-B，B]之间时，偏航系统会停止运行；当偏差角的绝对值>B时，偏航系统会自动运行；当偏差角的优选范围在[-A，A]的区间内时，偏航系统停止运行。

为了保证风力发电机获得的风能在Pmax的98 %以上，进行了以下推导计算：

cos（α-β）≥98%. （1）

|α-β|≤arctan（0.98）. （2）

|α-β|≤11.5°. （3）

-11.5°≤（α-β）≤11.5°. （4）

通过计算发现，如果偏差角的角度在[-11.5°，11.5°]的范围内，则可保证获得的风能98%以上是正对风向的。令B=11.5°，A通常取3°～5°，在本文中A取4°。因此，即使偏差角在[-11.5°，11.5°]之间无偏航动作，且每次偏航后最优范围在[-4°，4°]之间时，风能利用率可达到98%以上。

2.2 基于固定时间间隔的控制

国家标准规定，风机偏航时间与风机运行时间的比值不得超过0.1，即如果风机每次偏航的平均时间为t，则至多每10 t才能进行一次偏航动作。

一般情况下，偏航角速度为0.6°/s，且在每次大约调整11.5°的前提下，偏航的动作时间t1=6.9 s。偏航动作的启动停止时间约为21 s，则风机的偏航时间t2=21+6.9=27.9 s，约为28 s。通过计算，本文中两次控制采样的间隔时间t=10t2=10×28=280 s。

2.3 新型风力发电机偏航控制系统的具体实施

将上述2种控制结合在一起，即如果偏差角处于[-11.5°，11.5°]之外时，则无条件执行偏航机构动作；如果偏差角处于[-11.5°，11.5°]范围内时，则检测本次动作与上一次偏航机构动作的间隔时间是否超过280 s。

基于上述判断条件，如果本次动作与上一次偏航机构动作的间隔时间已超过280 s，则执行偏航机构动作并重新计时；如果未超过280 s，则继续计时并检测偏差角的大小。

新控制方案的具体实施步骤为：偏航控制器接收风力发电机的风向角和风向仪检测到的风向角差值，当偏差角的绝对值>11.5°时，偏航机构动作，调节风力发电机的机舱，使偏差角处于[-4°，4°]之间，进而使偏航机构停止运行；当偏差角处于[-11.5°，11.5°]之间时，如果本次动作与上一次偏航机构动作的间隔时间已超过280 s，则偏航机构开始运行，调节风力发电机机舱，使偏差角处于[-4°，4°]之间，偏航机构停止运行，并重新计时；如果未超过280 s，则偏航机构停止运行，继续计时并检测偏差角，偏航控制器将输出结果传输至偏航机构，进而控制风力发电机机舱的转动。

3 结束语

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，其控制策略结合了迟滞环控制和固定采样时间间隔控制。该方案设定的偏差角小于预设角度时偏航机构不运行，减少了风力发电机的对风次数，延长了风电发电机的使用寿命。此外，该方案中还设定了预设采样周期，可保证最低的对风频率和风力发电机的风能利用率达到98%以上。

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.

〔编辑：张思楠〕