摘要：风能是绿色能源。风力发电在解决能源和环境问题上的积极意义,正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。本文在介绍了风力机的偏航控制系统的软硬件设计的基础上,首次提出一种新型适于大型风力发电机组的对风偏航控制算法－－Vane_HillClimbing 算法,将风向传感器的应用和Hill Climbing 算法结合设计了控制器。
1 引言
能源是人类生存的基本要素,国民经济发展的主要物资基础。由于化石资源的日益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注,风能作为取之不尽、用之不竭的清洁绿色能源已深受全世界的重视。随着风电技术的进步和风电场的开发,我国风电产业开始形成。目前风电场的全年发电量近8
亿度,已形成产值20
多亿元,在社会经济生活中产生了一定的影响。风力机的偏航控制系统作为风力机控制系统里的重要一环,本文详细介绍了一种基于新型算法的风力机偏航控制系统设计。
2 系统结构设计
风力发电系统的偏航控制系统,主要分为两大类:被动迎风偏航系统和主动迎风系统。前者多用于小型的独立风力发电系统,由尾舵控制,风向改变时,被动对风。后者则多用大型并网型风力发电系统,由位于下风向的风向标发出的信号进行主动对风控制。为了保证风力发电机组发挥最大效能,机舱必须准确对风;只有在风力发电机叶轮法线方向与风向一致时,才能确保风力机吸收的功率最大。
图1 控制器系统总体结构图
以前的风力发电控制系统硬件主电路主要采用一片89C51 单片机和两片可编程8255A并行口I/O 接口芯片组成,硬件电
路如图1 所示;后来采用单片机AT89S52 和三片8155H 并行口I/O 接口芯片组成,二者的控制方式和原理是相同的,存在的主要缺陷是,采用这样的控制器,其实时性和数据处理速度不够好。随着系统的控制性能不断提升,采用单片机作为偏航控制器已逐渐被性能更好、处理速度更快、实时性更高的DSP 和嵌入式系统所替代。本系统硬件电路采用DSP 作为系统偏航控制器。
3 硬件系统设计
1、系统的传动机构。偏航系统通常其主要功能有两个:一是与风力发电机组的控制系统相互配合,使风轮始终处于迎风状态,提高风力发电机组的发电效率;其二是保障风力发电机组的安全运行。风力发电机系统结构含四组偏航系统,四组偏航系统对称分布,其中机舱与塔之间是回转支承。
2、系统机组的选定。双馈风力发电机组是目前技术最成熟、研究最为广泛的一类发电机组,自身有着诸多优点。如与传统的恒速恒频风力发电系统相比,采用双馈电机的变速恒频风力发电系统具有风能利用系数高,能吸收由风速突变所产生的能量波动以避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力,以及可以改善系统的功率因数等。本文中的仿真模型采用了此种风力发电机组。
3、功率检测。为有效进行Hill Climbing 算法控制,功率检测尤其显为重要。功率检测仪器位于转子侧,这是因为转子侧的输入输出功率容量相对于定子边要小,对功率变化检测的精度要高,并且所需检测仪器的容量也可相应的有所降低。功率检测的量主要包括电压和电流的检测,如图2 所示,虚线框内给出的是偏航控制系统框图。本设计选用了莱姆公司生产的LEM 电流、电压传感器。LEM 电流、电压传感器可测量直流、交流和脉冲波形的电流和电压。在原边电路和副边电路之间由很高的绝缘强度,可以有效地保护副边的测量设备,而且准确、快速。
4、控制器。为了提高控制精度和实现信号跟随,在信号输入环节设计了二阶反相滤波和信号跟随,跟随器采用性能优越的OP07。工作电压为5V 的光耦驱动电路要想将信号输入到TMS320LF2407 的A/D 输入通道,必须要经过电平转换电路,将电压降低到0～3.3V 内。TMS320LF2407 的I/O 端口作为输出使用,它的工作电压也是3.3V,所以为了驱动光耦功率驱动电路,必须要将电平提升至5V。图3 所示为DSP 控制系统框图,其中电平转换电路(1)是将3.3V 的电压转换成5V,电平转换电路(2)是将5V 电压转换成3.3V。设计中采用74ALVCl64245 模块,它采用双电压供电,一边采用3.3V 供电,另一边采用5V 供电,因此可将3.3V 的电平转换为5V 的电平,也可以将5V 的电平转换为3.3V 的电平,同时可以用作两个8位总线驱动器或者一个16 位总线驱动器。设计采用两个8 位总线驱动器。
5、开关电路与机械传动机构和伺服电机的选择。控制器输出的信号经过光耦驱动电路和继电器开关电路控制电机的正反转,通过电磁阀指定偏航电机的状态(开起或停止)。最终通过传动机构保持风力发电机叶轮迎风面始终垂直于风向。机械传动机构由偏航轴承、齿轮箱、蜗轮蜗杆机构组成,因为机舱转动惯量较大,为了减小机舱旋转时产生大的陀螺力矩,机舱调向时要求大的传动比。设计采用三相交流伺服电机作为控制器的执行元件。
4 控制算法
4.1 控制算法选择
因位于下风向,受到紊流等各种不利因素影响,且自身的测向精度也存在不足,使得控制信号都不甚理想,进而导致对风精度不高,本文基于上述对风方法的缺点,首次提出了一种新型适用于大型风力发电机组的对风偏航控制算法—VANE-HILLCLIMBING(V_HC)算法,设计了控制器。该算法由两部分构成:大范围风向变化时的风向标控制算法;小范围风向变化时的功率控制算法。 
1、风向标控制(V_C)算法。当风向在大范围内发生变化时,功率Hill Climbing 算法在偏航之前需要进行偏航方向的判断,这使得该算法难以快速跟踪风向在大范围内的变化;若此时风速再发生变化引起功率的变化,则Hill Climbing 算法更难以进行有效跟踪,甚至可能出现风向没有对正前就停止偏航的现象。为解决上述问题,提出在大范围内的风向变化仍是采用风向标控制算法。该法的好处在于直接给出风的变化方向,无需做出判断,对于风速变化是鲁棒的。
2、功率Hill
Climbing(H_C)算法。当风向在大范围内变化时,风向标控制算法可以直接给出风的变化方向,并控制偏航系统进行偏航,但对偏航的停止时刻,不能实现准确判断。为减小误差,进一步提高对风精度,提出此时采用Hill Climbing 算法。
4.2 V_HC 控制算法的优点
1、功率方面:这里以1.5MW 风力机为例说明,设风向标不起作用的范围为±15 度。此时的功率偏差与正对
风时相比:ΔP =1.5MW·(1-cos15°) = 51kW。若此时风电厂的装机数量为30 台,则节省出一台1.5MW 的风力发电机组,年增益将非常可观。虽然风力发电机组不一定运行在额定功率点上,对风误差未必为15 度,但上述讨论定性的说明了V_HC 控制算法的优点。
2、系统寿命方面:影响系统寿命的因素是多方面的,侧风是不容忽视的一个因素。侧风不仅降低了最大风能获取,而且对旋转中的桨叶构成危害。侧风时,在旋转过程中,桨叶上所受力矩作周期性变化,轮毂、转轴上也受到周期性的侧向力作用,使三者的疲劳加深。同时,周期性的力矩作用对包括铁塔在内的风力机组形成具有一定频谱的振动源,对整个风力发电机组构成危害。提高对风精度,是降低侧风因素,提高系统寿命的一条有效途径。
5 系统软件设计
以上分析可知,引起功率变化的两大因素,一是风向,二是风速。这就要求只有在风向变化的时候,才需要偏航,而风速变化引起功率变化时,偏航系统不需要。所以风速变化,对于HillClimbing 算法来说是一种干扰信号,在程序设计时需要考虑。该流程主要分为两大部分:大于15 度时的风向标V_C 控制和小于15 度时的H_C 控制。在H_C 控制算法中又分为逆时针旋转、顺时针旋转和原位不动三种情况。并网后,偏航控制系统进行初始化,而后判断风向。
(1) 风向大于15 度,直接跳转至虚线框A 部分进行V_C 控制,到达15 度时,偏航电机在原方向上仍旋转5 度,而后再偏航3 度后进行H_C 控制。
(2) 风向小于15 度,则进行功率变化判断。
①若功率的变化在功率差值给定范围内,则返回到初始位置;
②大于ΔP*,则电机逆时针旋转5 度,再次进行风向判断,小于15 度,则向下进入虚线框B 部分进行功率变化判断,若逆时针旋转5
度后有ΔP1-ΔP2 <0 成立,说明偏航方向正确,则仍旧在原偏转方向上用H_C 算法进行偏航控制;
③否则进入虚线框C 部分,偏航电机顺时针偏航为Td＝＋5 度,并进行上面类似的判断;
④若此时有ΔP1-ΔP2 >0,说明是风速发生变化导致功率变化,则电机不动,Td 应为0 值,由C 直接经D 跳转至流程图尾部。
当功率发生变化时,风向是否发生变化,偏向何方均为未知。为减小偏航电机的盲动,此时,偏航电机总是先逆时针偏转5 度,按随机概率而论,只有二分之一的偏向判断失误。这是该流程图的一个优点。流程图的另一个优点就是在功率判别部分,采用了ΔP1-ΔP2 >0 的功率变化判断,此判断可有效快速的对风速变化引起的偏航干扰作出快速的判断。
本文作者创新点
本文采用一种新的控制算法V_HC 算法,该算法不但提高了系统调节的灵敏性,而且提高系统的输出功率,对于长期运营的大型风电场,其效益极为可观;同时提高系统的使用寿命。引入这样的算法增加了风力发电装置偏航系统智能控制研究。同时给出以DSP 作为主控制器的硬件控制电路设计。
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作者简介:
张元清(1968.5- ), 女, 汉族, 四川隆昌人,讲师,研究方向:现代教育技术,计算机控制技术
附：风力发电机组的偏航系统工作原理概述
为了使风机的桨叶转子工作事始终朝向某个方向，在风机内安设了偏航系统。精密的测风仪器将检测信号传输给电脑的软件，经过分析后驱动偏航系统的电机和齿轮箱使风机尽可能的减少风能损失，增加有效工作时间。
偏航刹车 主机室的转动方向应该是按照指令的方向转动的。当偏航电机转动的时候，液压刹车系统处于释放状态，当偏航电机停止转动时，液压刹车系统处于刹车状态，将主机室固定在相应的位置上。
在偏航系统中包括电缆防缠绕检测器，防止在主机室根据风向在转动时使内部的电缆通过缠绕而损坏。如果电缆遭到缠绕，那么在主机室下次转动时，根据电缆缠绕的情况，主机室将向相反的方向转动，使得被缠绕的电缆重新回复到原来的位置上。
偏航驱动偏航系统的驱动部分由三个交流电机和行星式齿轮箱组成。偏航驱动部件安装在主机托盘的下方，一个过渡小齿轮连接在偏航轴承外齿环和在塔身上的固定齿环之间。
