1 引言

　　能源是人類生存的基本要素,國民經濟發展的主要物資基礎。由于化石資源的日益枯竭和人類對全球環境惡化的倍加關注,風能作為取之不盡、用之不竭的清潔綠色能源已深受全世界的重視。隨著風電技術的進步和風電場的開發,我國風電產業開始形成。目前風電場的全年發電量近8 億度,已形成產值20 多億元,在社會經濟生活中產生了一定的影響。風力機的偏航控制系統作為風力機控制系統里的重要一環,本文詳細介紹了一種基于新型算法的風力機偏航控制系統設計。

　　2 系統結構設計

　　風力發電系統的偏航控制系統,主要分為兩大類:被動迎風偏航系統和主動迎風系統。前者多用于小型的獨立風力發電系統,由尾舵控制,風向改變時,被動對風。后者則多用大型并網型風力發電系統,由位于下風向的風向標發出的信號進行主動對風控制。為了保證風力發電機組發揮最大效能,機艙必須準確對風;只有在風力發電機葉輪法線方向與風向一致時,才能確保風力機吸收的功率最大。

　　圖1 控制器系統總體結構圖

　　以前的風力發電控制系統硬件主電路主要采用一片89C51 單片機和兩片可編程8255A并行口I/O 接口芯片組成,硬件電路如圖1 所示;后來采用單片機AT89S52 和三片8155H 并行口I/O 接口芯片組成,二者的控制方式和原理是相同的,存在的主要缺陷是,采用這樣的控制器,其實時性和數據處理速度不夠好。隨著系統的控制性能不斷提升,采用單片機作為偏航控制器已逐漸被性能更好、處理速度更快、實時性更高的DSP 和嵌入式系統所替代。本系統硬件電路采用DSP 作為系統偏航控制器。

　　3 硬件系統設計

　　1、系統的傳動機構。偏航系統通常其主要功能有兩個:一是與風力發電機組的控制系統相互配合,使風輪始終處于迎風狀態,提高風力發電機組的發電效率;其二是保障風力發電機組的安全運行。風力發電機系統結構含四組偏航系統,四組偏航系統對稱分布,其中機艙與塔之間是回轉支承。

　　2、系統機組的選定。雙饋風力發電機組是目前技術最成熟、研究最為廣泛的一類發電機組,自身有著諸多優點。如與傳統的恒速恒頻風力發電系統相比,采用雙饋電機的變速恒頻風力發電系統具有風能利用系數高,能吸收由風速突變所產生的能量波動以避免主軸及傳動機構承受過大的扭矩和應力,以及可以改善系統的功率因數等。本文中的仿真模型采用了此種風力發電機組。

　　3、功率檢測。為有效進行Hill Climbing 算法控制,功率檢測尤其顯為重要。功率檢測儀器位于轉子側,這是因為轉子側的輸入輸出功率容量相對于定子邊要小,對功率變化檢測的精度要高,并且所需檢測儀器的容量也可相應的有所降低。功率檢測的量主要包括電壓和電流的檢測,如圖2 所示,虛線框內給出的是偏航控制系統框圖。本設計選用了萊姆公司生產的LEM 電流、電壓傳感器。LEM 電流、電壓傳感器可測量直流、交流和脈沖波形的電流和電壓。在原邊電路和副邊電路之間由很高的絕緣強度,可以有效地保護副邊的測量設備,而且準確、快速。

　　4、控制器。為了提高控制精度和實現信號跟隨,在信號輸入環節設計了二階反相濾波和信號跟隨,跟隨器采用性能優越的OP07。工作電壓為5V 的光耦驅動電路要想將信號輸入到TMS320LF2407 的A/D 輸入通道,必須要經過電平轉換電路,將電壓降低到0～3.3V 內。TMS320LF2407 的I/O 端口作為輸出使用,它的工作電壓也是3.3V,所以為了驅動光耦功率驅動電路,必須要將電平提升至5V。圖3 所示為DSP 控制系統框圖,其中電平轉換電路(1)是將3.3V 的電壓轉換成5V,電平轉換電路(2)是將5V 電壓轉換成3.3V。設計中采用74ALVCl64245 模塊,它采用雙電壓供電,一邊采用3.3V 供電,另一邊采用5V 供電,因此可將3.3V 的電平轉換為5V 的電平,也可以將5V 的電平轉換為3.3V 的電平,同時可以用作兩個8位總線驅動器或者一個16 位總線驅動器。設計采用兩個8 位總線驅動器。

　　5、開關電路與機械傳動機構和伺服電機的選擇。控制器輸出的信號經過光耦驅動電路和繼電器開關電路控制電機的正反轉,通過電磁閥指定偏航電機的狀態(開起或停止)。最終通過傳動機構保持風力發電機葉輪迎風面始終垂直于風向。機械傳動機構由偏航軸承、齒輪箱、蝸輪蝸桿機構組成,因為機艙轉動慣量較大,為了減小機艙旋轉時產生大的陀螺力矩,機艙調向時要求大的傳動比。設計采用三相交流伺服電機作為控制器的執行元件。

　　4 控制算法

　　4.1 控制算法選擇

　　因位于下風向,受到紊流等各種不利因素影響,且自身的測向精度也存在不足,使得控制信號都不甚理想,進而導致對風精度不高,本文基于上述對風方法的缺點,首次提出了一種新型適用于大型風力發電機組的對風偏航控制算法—VANE-HILLCLIMBING(V_HC)算法,設計了控制器。該算法由兩部分構成:大范圍風向變化時的風向標控制算法;小范圍風向變化時的功率控制算法。

　　1、風向標控制(V_C)算法。當風向在大范圍內發生變化時,功率Hill Climbing 算法在偏航之前需要進行偏航方向的判斷,這使得該算法難以快速跟蹤風向在大范圍內的變化;若此時風速再發生變化引起功率的變化,則Hill Climbing 算法更難以進行有效跟蹤,甚至可能出現風向沒有對正前就停止偏航的現象。為解決上述問題,提出在大范圍內的風向變化仍是采用風向標控制算法。該法的好處在于直接給出風的變化方向,無需做出判斷,對于風速變化是魯棒的。

　　2、功率Hill

　　Climbing(H_C)算法。當風向在大范圍內變化時,風向標控制算法可以直接給出風的變化方向,并控制偏航系統進行偏航,但對偏航的停止時刻,不能實現準確判斷。為減小誤差,進一步提高對風精度,提出此時采用Hill Climbing 算法。

　　4.2 V_HC 控制算法的優點

　　1、功率方面:這里以1.5MW 風力機為例說明,設風向標不起作用的范圍為±15 度。此時的功率偏差與正對風時相比:ΔP =1.5MW·(1-cos15°) = 51kW。若此時風電廠的裝機數量為30 臺,則節省出一臺1.5MW 的風力發電機組,年增益將非常可觀。雖然風力發電機組不一定運行在額定功率點上,對風誤差未必為15 度,但上述討論定性的說明了V_HC 控制算法的優點。

　　2、系統壽命方面:影響系統壽命的因素是多方面的,側風是不容忽視的一個因素。側風不僅降低了最大風能獲取,而且對旋轉中的槳葉構成危害。側風時,在旋轉過程中,槳葉上所受力矩作周期性變化,輪轂、轉軸上也受到周期性的側向力作用,使三者的疲勞加深。同時,周期性的力矩作用對包括鐵塔在內的風力機組形成具有一定頻譜的振動源,對整個風力發電機組構成危害。提高對風精度,是降低側風因素,提高系統壽命的一條有效途徑。

　　5 系統軟件設計

　　以上分析可知,引起功率變化的兩大因素,一是風向,二是風速。這就要求只有在風向變化的時候,才需要偏航,而風速變化引起功率變化時,偏航系統不需要。所以風速變化,對于HillClimbing 算法來說是一種干擾信號,在程序設計時需要考慮。該流程主要分為兩大部分:大于15 度時的風向標V_C 控制和小于15 度時的H_C 控制。在H_C 控制算法中又分為逆時針旋轉、順時針旋轉和原位不動三種情況。并網后,偏航控制系統進行初始化,而后判斷風向。

　　(1) 風向大于15 度,直接跳轉至虛線框A 部分進行V_C 控制,到達15 度時,偏航電機在原方向上仍旋轉5 度,而后再偏航3 度后進行H_C 控制。

　　(2) 風向小于15 度,則進行功率變化判斷。

　　①若功率的變化在功率差值給定范圍內,則返回到初始位置;

　　②大于ΔP*,則電機逆時針旋轉5 度,再次進行風向判斷,小于15 度,則向下進入虛線框B 部分進行功率變化判斷,若逆時針旋轉5度后有ΔP1-ΔP2<0 成立,說明偏航方向正確,則仍舊在原偏轉方向上用H_C 算法進行偏航控制;

　　③否則進入虛線框C 部分,偏航電機順時針偏航為Td＝＋5 度,并進行上面類似的判斷;

　　④若此時有ΔP1-ΔP2>0,說明是風速發生變化導致功率變化,則電機不動,Td 應為0 值,由C 直接經D 跳轉至流程圖尾部。

　　當功率發生變化時,風向是否發生變化,偏向何方均為未知。為減小偏航電機的盲動,此時,偏航電機總是先逆時針偏轉5 度,按隨機概率而論,只有二分之一的偏向判斷失誤。這是該流程圖的一個優點。流程圖的另一個優點就是在功率判別部分,采用了ΔP1-ΔP2>0 的功率變化判斷,此判斷可有效快速的對風速變化引起的偏航干擾作出快速的判斷。
　　
本文作者創新點

　　本文采用一種新的控制算法V_HC 算法,該算法不但提高了系統調節的靈敏性,而且提高系統的輸出功率,對于長期運營的大型風電場,其效益極為可觀;同時提高系統的使用壽命。引入這樣的算法增加了風力發電裝置偏航系統智能控制研究。同時給出以DSP 作為主控制器的硬件控制電路設計。

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　　作者簡介:

　　張元清(1968.5- ), 女, 漢族, 四川隆昌人,講師,研究方向:現代教育技術,計算機控制技術

　　包駿杰（1969.10-）,男,漢族,重慶萬洲人,副教授,研究方向:現代教育技術,計算機控制技術