張 皓 劉萬久 黎俞琳 韓有才

（1四川大學 水利水電學院， 四川 成都 610065；2四川大學 化學與工程學院， 四川 成都 610065）（3四川大學 物理學院， 四川 成都 610065）

1 背景及意義

風能來自于冷熱空氣對流，是一種永不枯竭的清潔能源，同其他幾種新型清潔能源相比，如地熱能、太陽能，風力發(fā)電技術已經相對成熟，正逐步趨于市場化。因而我們看到，風力發(fā)電在全球各國的高速發(fā)展。現(xiàn)階段，很多科研團隊都在對風電技術做進一步地深入研究，在諸多方面取得了豐厚成果，但對偏航控制系統(tǒng)的完善卻一直躊躇不前。[1]

由于風向風速總是頻繁變化，且具有很大的隨機性，如果我們想要始終獲得最大的風能，就必須始終使扇葉面正對風向，這就對風力發(fā)電機的偏航控制提出了很高的要求。偏航控制系統(tǒng)作為一個隨動系統(tǒng)，要求能夠在規(guī)定風速范圍內自動準確對風，由于機身重量過大，在風向變換時，風輪機只能實現(xiàn)非連續(xù)性偏轉，使得大部分時間內風扇葉與最大迎風方向存在偏航夾角，極大程度地影響了風力發(fā)電機的發(fā)電效率。另外，風力機組下風方向的風機受到上風方向風機的氣流影響，無法識別真實風向從而難以準確對風，加大了偏航控制系統(tǒng)的工作難度。[2]

據(jù)統(tǒng)計，在風力發(fā)電中，由于偏航等因素造成的風能損失高達 50%，直接導致風力發(fā)電的效率難以大幅提升，此外，頻繁的偏航調整對設備的損耗十分嚴重，造成巨大的經濟損失，由此可見，偏航控制系統(tǒng)的發(fā)展制約著風能利用的進步，需要我們投入更多的努力。

2 控制原理

風機偏航系統(tǒng)主要由風向標偏航電機偏航行星齒輪減速器和回轉體大齒輪組成，偏航電機的控制回路對偏航監(jiān)測傳感器產生的電信號進行處理，給偏航電機發(fā)出偏航指令，從而帶動偏航行星齒輪減速器和回轉體大齒輪轉動機艙進行對風。[2]

偏航檢測傳感器由測風裝置、限位開關、偏航凸輪、偏航絕對值編碼器組成；偏航驅動機構由偏航電機、偏航軸承、潤滑系統(tǒng)組成；偏航控制單元由主控器、耦合器、低壓配電柜組成。[3]

一般的偏航控制系統(tǒng)工作過程如下：風速風向傳感器作為感應元件安裝于扇葉附近，監(jiān)測實時的風能狀況，并即刻將風向的變化用電信號傳輸?shù)狡诫姍C控制回路控制器中，控制處理器經過比較判斷發(fā)出偏航命令到偏航電機，偏航電機通過偏航齒輪箱、減速器與調向小齒輪帶動偏航大齒輪運動，機艙隨之運動，當該對風動作完成后，風向風速傳感器的電信號將不會引發(fā)控制處理器發(fā)出偏航命令，偏航電機停止工作，偏航制動器鎖緊，偏航過程結束，扇葉接受最大風力的推動進行發(fā)電。[4]

3 目前技術

目前使用的偏航控制方法有很多，本文就以下幾種比較常用的進行闡述。

3.1 爬山算法

爬山算法是一種局部擇優(yōu)的方法,采用啟發(fā)式方法,改進深度優(yōu)先搜索,利用反饋信息幫助生成解的決策，它屬于人工智能算法的一種。應用于偏航控制系統(tǒng)即為，每次偏航系統(tǒng)都會向正對風向位置靠攏，一步一步移進，直到達到最加位置，如爬山爬上頂峰，此時，搜索停止，系統(tǒng)鎖定。[5]

3.2 卡爾曼濾波算法

功率檢測算法對實現(xiàn)精確對風有很大的裨益，但這也使得風向小范圍內變化時以及干擾情況下偏航系統(tǒng)頻繁動作，產生疲勞，導致偏航系統(tǒng)磨損加增多，穩(wěn)定性下降，大大縮減其使用壽命。為了實現(xiàn)高精度對風，并且不損傷偏航系統(tǒng)的機械性能，顧露香提出了在爬山法基礎上進行卡爾曼濾波控制的算法,。該算法的核心思想是利用風向變化的魯棒性，假設風向在短時間內為周期分量，通過預測分析對系統(tǒng)阻尼進行動態(tài)調節(jié)，優(yōu)化風向的偏航角度，使偏航系統(tǒng)對風向的小擾動保持冷靜，只對超過某一閾值的角度進行調整，保證偏航系統(tǒng)對大范圍角度偏航的精確調整，同時減少不必要的機械磨損，提高了風力發(fā)電機偏航動作的穩(wěn)定性和可靠性。[2]

3.3 KHC算法

針對上述偏航控制問題，顧露香等還提出了一種優(yōu)化爬山法和卡爾曼濾波相結合的新型控制算法—KHC算法。該算法的核心內容是采用爬山法，由之前監(jiān)測風向傳感器對風方向的爬山過程，改為檢測輸出的電功率的提升過程，避免下風方向風機受上風方向風機變向紊流等不利因素的影響，更加直接準確。同時采用優(yōu)化卡爾曼濾波的方法，監(jiān)測短時間內風向在一定范圍內連續(xù)性變化的特性，總結規(guī)律，使系統(tǒng)準確預測并跟蹤風向，保持葉輪轉速基本穩(wěn)定，同時控制好偏航機構動作的幅度和頻率，避免了偏航系統(tǒng)的疲勞工作。[2]

3.4 不足之處

首先，偏航系統(tǒng)的高靈敏性促使系統(tǒng)在風向的微弱變化下也將做出偏航調整，風向的變化可以說是隨時進行的，那么，偏航系統(tǒng)將一直處于工作狀態(tài)，必將導致機械的勞損，降低其使用壽命，增加運營成本。若是降低偏航系統(tǒng)的靈敏性，那么對風能的利用率又將大大降低，導致經濟效益降低，投資回報比太高，運營同樣困難。

另外，由于偏航系統(tǒng)的調整動作總是尋求最優(yōu)路徑，即選擇最短距離或最短時間達到正對風向的狀態(tài)，由于風向變化的不確定性，扇葉有可能一直往同一個方向偏航對風，造成電纜纏繞，如果纏繞圈數(shù)超過了限定值，強大的力矩將絞斷電纜，系統(tǒng)停止工作，給機組帶來嚴重損害。[3]

4 技術展望

隨著科技的發(fā)展，有越來越多的偏航控制方法得以應用，比如遲滯環(huán)的死區(qū)效應等，這里不一一贅述。作者在本文提出一種新的控制系統(tǒng)—半圓式雙向監(jiān)測偏航控制系統(tǒng)。目前的扇葉移動僅限于水平圓面，扇葉隨著風向的變化做著圓周運動，而我們知道，風向變化莫測，很多時候是從上往下，很少從下往上吹。那么，對于從上而下的那部分風能，由于扇葉轉向的限制，智能利用極少的一部分，甚至完全無法利用，造成極大的資源浪費。

若是采用半圓式雙向監(jiān)測系統(tǒng)，首先扇葉與支柱聯(lián)結的部位能在上圓面任意滑動，由橫向和豎向的兩個電動裝置實現(xiàn)，此外，將風向傳感器的數(shù)據(jù)進行正交分解，分別控制兩個電裝置的工作，實現(xiàn)整個半圓面的準確對風，如此一來，風力發(fā)電對風能的利用率將大幅度提升，期待此種裝置的早日投產使用。

5 結語

無論是小型發(fā)電機組，還是大型發(fā)電機組，對偏航系統(tǒng)的依賴是必不可少的，高效的偏航控制不僅能帶來直接的發(fā)電效益，更能保持較好的系統(tǒng)性能，間接帶來經濟效益，從而促進風能發(fā)電的快速發(fā)展，提升在眾多新型清潔能源中的競爭力，所以，加大力度研究偏航控制系統(tǒng)十分緊要。

[1]蘇新霞,王致杰,徐雙,王鴻,劉逸釗.一種新型風力發(fā)電機偏航控制系統(tǒng)[J].科技與創(chuàng)新,2015(20):10-11.

[2]顧露香,樂秀璠,楊虞琨,李柵柵.KHC算法在風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)的運用[J].華電技術,2011,33(09):92-94+98.

[3]張巖,吳光宇.大型風力發(fā)電機組偏航控制系統(tǒng)的設計[J].科技風,2012(12):86-88.

[4]沈小軍,杜萬里.大型風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)控制策略研究現(xiàn)狀及展望[J].電工技術學報,2015,30(10):196-203.

[5]高文元,馬小英,崔鵬,王加偉,王現(xiàn)青.MW 級風力發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)控制策略[J].科學技術與工程,2010,10(02):415-418.