风力机偏航时的控制方法讨论

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1、 空气动力学空气动力学（2010 2011 学年第二学期）学年第二学期）专专 业：业： 电气工程及其自动化 题题 目目： 风力机偏航时的控制方法讨论 班班 级级: : 电气 08-1 班 姓姓 名：名： 田 武 涛 学学 号：号： 20082101043 时时 间：间： 2011 年 5 月 指导教师：指导教师： 张新燕 新疆大学电气工程学院新疆大学电气工程学院风力机偏航时的控制方法讨论风力机偏航时的控制方法讨论内容摘要：风能是一种永不枯竭的清洁能源。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

2、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 获取风能。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

3、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、一、风力发电机组控制策略的发展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，对于小电网甚至会影 响其稳定性。风力发电机组通常采用柔 l 生部件，这有助于减

4、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|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

5、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

6、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，越来越受到风电研 究人员的重视。二、二、偏航系统的装置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

7、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，常用的有以下几种。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。图 1 尾舵调向(2)侧风轮调向侧风轮调向装置采用 l 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

8、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、三、偏航原理结构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3 21DvpCPtP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=w-r小其中w为风向 角度，r为风机机舱角度。当偏航误差为时，风力

9、发电机所获得的 风能是风轮正对时(=0)的 cos倍。 因此，当偏航误差为时，损失的功率占比为:)%cos1 (1003K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

10、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。控制器放大器偏航结构风力帆偏航计数测量元件风轮轴方向+ - -四、四、偏航控制过程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

11、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。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

12、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

13、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， 通过人工发送命令来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

14、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，甚至绞断。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、五、控制算法现状控制算法现状目前商用的主流风力发电机

15、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。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来过滤风的高频扰动。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=180-2015 =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 ON，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ON 状态进行 3 秒延时，即在光电管为 0N 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 第二种采用绝对传感器，其在控制方