杜楊超
(太原重工股份有限公司技術(shù)中心,山西 太原 030024)
風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)的作用是通過偏航電機驅(qū)動偏航齒輪,使風輪平面垂直于當前風向,確保風輪最大效率地吸收風能。一個合理的偏航控制策略,應當既能滿足對風的要求,又可以保證偏航系統(tǒng)的機械使用壽命。
風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)是風力發(fā)電機組整機的重要組成部分,基本硬件組成部分包括偏航軸承、偏航齒輪、偏航驅(qū)動電機、偏航制動器、角度傳感器等。風力發(fā)電機組主控系統(tǒng)根據(jù)風向、風速等風況信息,控制偏航驅(qū)動電機的運行速度和運行方向,偏航制動器在偏航系統(tǒng)靜止時提供足夠的制動力矩,在偏航系統(tǒng)動作過程中提供必要的阻尼力矩。由于風力發(fā)電機組內(nèi)電力傳輸電纜的存在,單方向累積偏航角度達到扭纜極限時,風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)需反方向運行,實現(xiàn)扭纜的解纜動作。
偏航控制系統(tǒng)是風力發(fā)電機組主控系統(tǒng)的重要組成部分,用來控制偏航系統(tǒng)偏航動作、解纜動作的執(zhí)行。基本輸入信號包括風速、風向、機艙位置角度、偏航扭纜角度、制動系統(tǒng)壓力等,輸出信號包括偏航電機控制、偏航制動器控制等。偏航系統(tǒng)應當具有手動控制功能,即忽略機艙位置與風向的偏差,人為控制機艙順時針/逆時針(俯視)運行,為人工維護提供便捷。
偏航控制系統(tǒng)根據(jù)運行模式和運行狀態(tài),狀態(tài)機分為待機、偏航、解纜、手動四個狀態(tài)。如圖1所示。
圖1 偏航控制狀態(tài)機
風力發(fā)電機組基本運行狀態(tài)即為無人值守的自動運行狀態(tài),“待機狀態(tài)!"偏航狀態(tài)”及這兩個狀態(tài)間的切換是偏航控制策略設計的關(guān)鍵。如圖2所示。
機艙位置與風向采用方位角坐標系,正北為0°,兩者偏差計算公式為:
其中N為機艙位置方位角,P為風向方位角。
K>0時,風向在機艙左側(cè)位置,偏航系統(tǒng)須逆時針運行;
K<0時,風向在機艙右側(cè)位置,偏航系統(tǒng)須順時針運行。
1)偏航控制策略A。
實時跟隨策略。即機艙位置實時跟隨風向的變化。由于風向的不穩(wěn)定性,偏航系統(tǒng)須連續(xù)運行,偏航驅(qū)動電機為S1工作制。理論上該控制策略能最大化地保證機艙的對風效果,最高效地捕獲風能。但對偏航驅(qū)動和偏航制動裝置提出了更高的要求。
2)偏航控制策略B。
偽實時跟隨策略。即機艙位置并不時刻跟隨風向的變化,只有當|K|值超過預設值8°后,偏航驅(qū)動才投入運行。該控制策略有效減少了偏航驅(qū)動運行時間,但在風況不穩(wěn)定的地區(qū)對偏航系統(tǒng)的設計壽命仍然有影響。
3)偏航控制策略C。
改進的偽實時跟隨策略。機艙位置不時刻跟隨風向的變化,僅當小風工況(Vwind<7m/s)K值超過預設值16°的持續(xù)時間超過120s,或大風工況(Vwind>7m/s)K 值超過預設值8°的持續(xù)此件超過60s后,偏航系統(tǒng)才投入運行。該控制策略通過時間參數(shù)對風向變化進行有效濾波,進一步減少了偏航驅(qū)動運行時間。以上所述如圖3所示。
在山西省某風電場3MW風力發(fā)電機組上對不同偏航控制策略分別進行驗證,對偏航系統(tǒng)運行時間進行比較:
圖3 改進的偽實時偏航控制策略
如圖4所示,在同一臺3MW風力發(fā)電機組上對B、C兩種控制策略進行比較,對比數(shù)據(jù)包括機艙方位角、風向方位角和偏航動作狀態(tài)。兩種控制策略分別測試1h。測試結(jié)果表明,在風向方位角變化幅值與頻率一致的情況下,采用B控制策略,偏航系統(tǒng)動作34次,累計運行時間15.3min。采用C控制策略,偏航系統(tǒng)動作3次,累計運行時間2.4min。B控制策略各次偏航時間較短,平均時間27s,但動作頻繁;C控制策略單次平均偏航時間48s,但動作頻率有明顯的改進。偏航驅(qū)動傳動裝置在風力發(fā)電機組20年設計壽命中,參考運行壽命為17 520h。采用C控制策略,20年偏航系統(tǒng)累計運行7 008h,完全滿足系統(tǒng)設計的要求。
圖4 偏航控制策略B與C實測數(shù)據(jù)
通過對不同風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)控制策略進行設計、比較和驗證,證明改進的偽實時偏航跟隨策略是最合理的偏航控制策略。既可以滿足風力發(fā)電機組的對風要求,又可以保證偏航系統(tǒng)的機械使用壽命。