摘要：風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)特有的機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性是風(fēng)機(jī)可靠運(yùn)行的重要保障?，F(xiàn)提出并實(shí)現(xiàn)了對(duì)偏航仿真系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)的控制策略和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)試，搭建了一個(gè)符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組偏航仿真系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：偏航系統(tǒng);仿真實(shí)現(xiàn);控制策略;設(shè)計(jì)分析

0 引言

偏航機(jī)構(gòu)作為風(fēng)電機(jī)組特有且十分關(guān)鍵的隨動(dòng)機(jī)械裝置，當(dāng)機(jī)艙跟蹤風(fēng)向變化而發(fā)生電纜纏繞時(shí)，視風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況適時(shí)進(jìn)行解纜，并及時(shí)潤(rùn)滑偏航機(jī)械機(jī)構(gòu)。使用ADAMS、BLADED等軟件對(duì)偏航系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真已比較成熟，但進(jìn)行實(shí)物模擬仿真的還不多，本文設(shè)計(jì)的模擬仿真系統(tǒng)對(duì)教育培訓(xùn)和科研具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 偏航系統(tǒng)模擬仿真設(shè)計(jì)要求

1.1? ? 偏航對(duì)風(fēng)

偏航系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)配合，通過(guò)風(fēng)傳感器跟蹤風(fēng)速、風(fēng)向的變化，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)平均風(fēng)向，當(dāng)風(fēng)速大于某設(shè)定值時(shí)，如風(fēng)向與機(jī)艙方向的夾角超過(guò)設(shè)定角度，偏航系統(tǒng)將執(zhí)行偏航對(duì)風(fēng)。為防止機(jī)組在風(fēng)擾動(dòng)情況下頻繁動(dòng)作，偏航控制系統(tǒng)以10 min的平均風(fēng)向作為偏航條件，當(dāng)滿足偏航條件時(shí)執(zhí)行偏航動(dòng)作，讓風(fēng)機(jī)保持迎風(fēng)狀態(tài)。

1.2? ? 風(fēng)輪保護(hù)

正常發(fā)電時(shí)，制動(dòng)器將偏航軸承鎖定，保證風(fēng)機(jī)在迎風(fēng)位置工作。在出現(xiàn)破壞性風(fēng)速時(shí)，葉片順槳并以最快速度停機(jī)，進(jìn)而讓機(jī)艙偏航90°背風(fēng)，以免風(fēng)機(jī)受損。當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)緊急停機(jī)故障時(shí)，風(fēng)機(jī)將切除補(bǔ)償電容，風(fēng)輪氣動(dòng)剎車，延時(shí)0.3 s后偏航制動(dòng)器動(dòng)作，檢測(cè)到瞬時(shí)功率為負(fù)時(shí)退出，若停機(jī)時(shí)長(zhǎng)大于20 s仍未順槳，則機(jī)艙偏航90°背風(fēng)。

1.3? ? 扭纜保護(hù)

風(fēng)機(jī)朝同一方向連續(xù)偏航，導(dǎo)致高壓線纜過(guò)度扭絞，當(dāng)扭絞程度達(dá)到扭纜保護(hù)觸發(fā)值時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行小風(fēng)自動(dòng)解纜及強(qiáng)制解纜程序，保證機(jī)組安全運(yùn)行。在偏航的過(guò)程中，機(jī)艙順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到720°～1 080°時(shí)，待機(jī)組出力較小或不出力時(shí)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)解纜。風(fēng)機(jī)在正常發(fā)電時(shí)，風(fēng)機(jī)不立即進(jìn)行解纜操作。當(dāng)偏航角度超過(guò)1 080°時(shí)，扭纜保護(hù)觸發(fā)初級(jí)解纜，機(jī)組需停機(jī)進(jìn)行解纜。若不能解纜，則當(dāng)紐纜角度達(dá)到1 440°時(shí)，會(huì)觸發(fā)終極解纜，紐纜開(kāi)關(guān)將閉合，觸發(fā)安全鏈而導(dǎo)致機(jī)組自動(dòng)停機(jī)，此時(shí)需要手動(dòng)解纜。

2 偏航系統(tǒng)硬件仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

采用3臺(tái)無(wú)級(jí)變速三相異步電動(dòng)機(jī)（Y112M-4）、3臺(tái)偏航減速器（BLD4-59-4kW），以外齒型驅(qū)動(dòng)方式，在機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，光電編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)角度并傳送到控制系統(tǒng)。裝置安裝采用分體式結(jié)構(gòu)，用支撐結(jié)構(gòu)平臺(tái)模擬機(jī)艙底座和偏航軸承等驅(qū)動(dòng)構(gòu)件。偏航軸承及機(jī)艙模型通過(guò)一塊圓形齒邊的鋼板進(jìn)行仿真模擬，在鋼板中央設(shè)軸承，軸承連接旋轉(zhuǎn)編碼器，其0°值對(duì)應(yīng)機(jī)組主風(fēng)向。偏航系統(tǒng)采用倍福PLC作為核心處理器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為4級(jí)。中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)層;PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線主站接口CX1500-M310、控制器CX1020-0000、電源模塊CX1100-0002、數(shù)字量輸入模塊KL1408、數(shù)字量輸出模塊KL2134、總線末端模塊KL9010構(gòu)成主站層;從站層包括總線耦合器BK3150、模擬量輸入模塊KL3122、SSI編碼器接口模塊KL5001、數(shù)字量輸出模塊KL2134、安全總線端子模塊KL1904和總線末端模塊KL9010;現(xiàn)場(chǎng)層由各種變頻器、電動(dòng)機(jī)及各控制對(duì)象組成。偏航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 偏航系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

3.1? ? 偏航控制流程及策略

（1）自動(dòng)潤(rùn)滑。1）計(jì)算潤(rùn)滑停止位置。若機(jī)艙位置>0°，潤(rùn)滑偏航止位為機(jī)艙位置減355°;反之為機(jī)艙位置加355°。2）判斷是否需要潤(rùn)滑。機(jī)組運(yùn)行時(shí)間達(dá)到潤(rùn)滑設(shè)定時(shí)間時(shí)，執(zhí)行潤(rùn)滑，若運(yùn)行時(shí)間>設(shè)定時(shí)間+120 h，則必須潤(rùn)滑。3）判斷潤(rùn)滑條件。風(fēng)速小于8 m/s時(shí)的易損件、風(fēng)速小于16 m/s時(shí)必須潤(rùn)滑的部件，執(zhí)行自動(dòng)潤(rùn)滑程序。4）開(kāi)始自動(dòng)潤(rùn)滑。滿足潤(rùn)滑條件，時(shí)間置零重計(jì)，屏蔽自動(dòng)解纜及自動(dòng)偏航，根據(jù)機(jī)艙具體位置判斷潤(rùn)滑時(shí)的偏航方向，計(jì)算潤(rùn)滑停車位置，啟動(dòng)偏航電機(jī)，偏航電機(jī)反饋信號(hào)后，潤(rùn)滑泵立即運(yùn)行并開(kāi)啟控制閥進(jìn)行自動(dòng)潤(rùn)滑。

（2）自動(dòng)偏航。連續(xù)檢測(cè)氣流方向變化情況，在不同的角度差值下設(shè)置不同的延時(shí)時(shí)間，按傳感器角度信號(hào)θ值執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。當(dāng)5 s內(nèi)θ值誤差角度Δθ=15°，即-15°≤Δθ≤15°時(shí)，認(rèn)為風(fēng)機(jī)位于主風(fēng)向而不偏航;當(dāng)Δθ>25°時(shí)，將延時(shí)20 s進(jìn)行偏航輸出;當(dāng)15°<Δθ<25°時(shí)，將延時(shí)50 s進(jìn)行偏航輸出;當(dāng)Δθ<15°時(shí)，將延時(shí)90 s進(jìn)行偏航輸出，從而實(shí)現(xiàn)大角度快速動(dòng)作，小角度精確檢測(cè)動(dòng)作[1]。另外，Δθ>180°表明風(fēng)機(jī)相對(duì)風(fēng)向標(biāo)有一個(gè)向右偏離的夾角，應(yīng)執(zhí)行逆時(shí)針偏轉(zhuǎn);Δθ<180°表明風(fēng)機(jī)相對(duì)風(fēng)向標(biāo)有一個(gè)向左偏離的夾角，應(yīng)執(zhí)行順時(shí)針偏轉(zhuǎn)。

（3）自動(dòng)解纜。風(fēng)向在隨機(jī)變化過(guò)程中，機(jī)艙持續(xù)同向跟風(fēng)可能導(dǎo)致高壓線纜絞纏，需根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況解纜。風(fēng)向在-180°～180°變化，偏航角度在-1 080°～1 080°調(diào)節(jié)變化，在進(jìn)行解纜控制時(shí)，應(yīng)時(shí)刻跟蹤偏航角轉(zhuǎn)過(guò)的角度。例如當(dāng)風(fēng)向角為-10°時(shí)，需計(jì)算此時(shí)偏航角度，假設(shè)此刻偏航角為1 000°，則偏航角與風(fēng)向角之差為1 010°，根據(jù)程序判斷差值大于900°，因此利用差值減去1 080°，得出執(zhí)行偏航角度應(yīng)為-70°，由此可知風(fēng)機(jī)需要執(zhí)行左偏解纜。

（4）手動(dòng)偏航。檢測(cè)到手動(dòng)偏航啟停信號(hào)時(shí)，清零其他運(yùn)行指令狀態(tài)，讀取手動(dòng)信號(hào)，打開(kāi)制動(dòng)器，手動(dòng)操作。手動(dòng)偏航和自動(dòng)相關(guān)程序相互獨(dú)立，程序嵌套在主程序中。

3.2? ? 偏航指令的優(yōu)先級(jí)

偏航系統(tǒng)可以在多種指令形式下執(zhí)行動(dòng)作，除了上述提到的偏航和解纜外，還有背風(fēng)、控制面板手動(dòng)運(yùn)行、機(jī)艙左右開(kāi)關(guān)偏航、中控遠(yuǎn)程偏航、中控偏航鎖定等指令。為避免手動(dòng)偏航導(dǎo)致紐纜，超過(guò)設(shè)定最長(zhǎng)偏航時(shí)間時(shí)，風(fēng)機(jī)將自行停止偏航。偏航指令優(yōu)先級(jí)排序：就地開(kāi)關(guān)、控制面板手動(dòng)、中控遠(yuǎn)程、自動(dòng)側(cè)風(fēng)、自動(dòng)解纜、自動(dòng)對(duì)風(fēng)。

4 偏航仿真系統(tǒng)控制策略分析

偏航控制策略有線性化、變結(jié)構(gòu)、魯棒、自適應(yīng)和模糊控制。線性化控制基于比例模型，在不同輸入風(fēng)速下始終以最優(yōu)尖速比運(yùn)行，在風(fēng)速變化迅速時(shí)調(diào)節(jié)相對(duì)滯后，往往僅能滿足正常工況下的要求。變結(jié)構(gòu)控制憑借響應(yīng)速度的優(yōu)勢(shì)在風(fēng)電領(lǐng)域發(fā)展較好，其對(duì)風(fēng)能的擾動(dòng)特性具有良好的適應(yīng)能力，結(jié)構(gòu)模型確定的情況下，對(duì)系統(tǒng)的執(zhí)行速度快，反映較直接，在結(jié)構(gòu)參數(shù)瞬變時(shí)，控制過(guò)程較穩(wěn)定;在參量變化范圍寬、隨動(dòng)性干擾的情況下，其能快速且直接控制偏差問(wèn)題。自適應(yīng)控制經(jīng)傳感器魯棒控制可同時(shí)完成對(duì)若干個(gè)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)和控制，尤其是在模型搭建過(guò)程中已有偏差存在時(shí)，可根據(jù)運(yùn)行和控制器監(jiān)測(cè)反饋參數(shù)及時(shí)計(jì)算，易于控制變量的增益[2]。模糊控制將成熟的理論及完美的控制方法轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂撇呗裕瑹o(wú)須精確建模，便能消除擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制的目的[3]。因風(fēng)能的擾動(dòng)和隨機(jī)性，實(shí)際工況建模較為困難。考慮到實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下條件較好，輸入?yún)?shù)和數(shù)據(jù)便于控制，風(fēng)速、風(fēng)向值可采取給定的線性模式進(jìn)行控制，同時(shí)為了簡(jiǎn)化裝置和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用簡(jiǎn)明且直接的線性化運(yùn)行策略。當(dāng)然，在需要對(duì)快速變化的風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行仿真模擬時(shí)，可采用更加智能的控制策略。

5 偏航仿真系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

偏航仿真系統(tǒng)根據(jù)預(yù)測(cè)分析與配合控制環(huán)節(jié)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向，其性能的好壞與發(fā)電及風(fēng)能吸收系數(shù)Cp值關(guān)系密切，偏航過(guò)程中承受隨機(jī)荷載，對(duì)偏航系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高。在本仿真裝置中，偏航系統(tǒng)的負(fù)荷較小，近似空載運(yùn)行，偏航過(guò)程中沒(méi)有偏航阻尼，偏航圓盤(pán)完全由偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，由開(kāi)關(guān)或電位器模擬數(shù)字和模擬量信號(hào)，控制精度不高，與設(shè)計(jì)值相比偏航誤差為15°。為提高偏航的抗沖擊干擾性能和準(zhǔn)確度，在偏航程序中增加了減少偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)滯后程序。另外，系統(tǒng)安裝過(guò)程中要對(duì)輪系構(gòu)件進(jìn)行軸向限位，特別要注意偏航減速器齒輪與偏航模擬盤(pán)齒輪的嚙合情況，對(duì)偏航減速器與金屬轉(zhuǎn)盤(pán)的碰撞力進(jìn)行分析，以防3臺(tái)偏航減速器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生碰撞與干擾，增加齒輪機(jī)構(gòu)的摩擦力和碰撞力。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)的模擬仿真系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，給學(xué)習(xí)和研究風(fēng)電偏航系統(tǒng)的學(xué)生提供了實(shí)物平臺(tái)，為風(fēng)電從業(yè)人員提升技能和故障分析能力奠定了基礎(chǔ)，也為設(shè)備及系統(tǒng)改進(jìn)創(chuàng)造了一定的條件。

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收稿日期：2021-02-26

作者簡(jiǎn)介：高海濤（1983—），男，四川達(dá)州人，講師，工程師，從事電氣工程（風(fēng)力發(fā)電）領(lǐng)域教育教學(xué)及項(xiàng)目工作。