一種基于預防扭纜的風力發(fā)電機偏航控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明一種基于預防扭纜的風力發(fā)電機偏航控制方法，設及風力發(fā)電應用領域。
【背景技術】
[0002] 風力發(fā)電機是將風能轉換為電能的設備，其工作特性會直接影響到發(fā)電效率和電 能質量。風能受環(huán)境因素影響極大，風向經常隨機變動。如果風力發(fā)電機中風輪掃掠面和 風向不垂直時，不但承受很大的風力載荷，而且其輸出功率也會急劇減少。偏航控制系統(tǒng)能 夠跟蹤風向的變化，是控制風力發(fā)電機來適應外界風向變化，對風力發(fā)電機工作特性具有 重要影響的一種裝置。偏航系統(tǒng)能驅動風力發(fā)電機的機艙圍繞塔架中屯、線旋轉，使風輪掃 掠面與風向保持垂直。
[0003] 但是風力發(fā)電機機艙在偏航控制系統(tǒng)的控制下，進行方向調整的過程中，有可能 發(fā)生沿著同一方向累計轉了許多圈，造成機艙與塔底之間的電纜扭絞。電纜扭絞輕則引起 風力發(fā)電機機艙方向調整不順楊，重則引發(fā)電纜使用壽命降低直至電纜斷裂失效。為了保 證風力發(fā)電機具有良好的工作特性，W提供盡可能多的風力發(fā)電，進行及時有效解纜也是 偏航系統(tǒng)所需要具備的功能。
[0004] 傳統(tǒng)風力發(fā)電機偏航控制系統(tǒng)大多基于常規(guī)偏航控制，把其引入到風力發(fā)電系統(tǒng) 中來，對其控制算法進行完善和改進，主要有智能控制和模糊控制。智能控制和模糊控制算 法的實現(xiàn)需要W大量的數據樣本為基礎，但由于風力發(fā)電機面臨的現(xiàn)場風向和風速的變化 具有隨機性和波動性，同時對于風向、風速的數據采集和處理很難短時完成，因此運兩類控 制算法雖然在理論控制上效果較好，但應用到風力發(fā)電機偏航控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)起來具有 較大難度。
【發(fā)明內容】
[0005] 針對上述現(xiàn)有技術中的不足，并考慮到自動對風和發(fā)生扭纜并解纜對風力發(fā)電機 運行效率的不同影響，本發(fā)明提出一種基于預防扭纜的風力發(fā)電機偏航控制方法，減少由 于扭纜W及解纜導致的風力發(fā)電機停機事件，從而提高風力發(fā)電機發(fā)電量。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術方案是：
[0007] -種基于預防扭纜的風力發(fā)電機偏航控制方法，包括W下步驟：
[0008] 步驟1 :風機在正常運行范圍內，即機艙持續(xù)累計偏轉不超過3圈，此時0 (風向 角與偏航角的差值）范圍為[-1260° ,1260° ]。偏航控制系統(tǒng)自動對風過程中，機艙選擇 W最短角度路徑跟隨風向變化則能實現(xiàn)迅速對風。偏航控制系統(tǒng)可遵循W下兩條規(guī)則來實 施最短角度路徑方向的判別：
[0009] 1) 0與0 ±360。*n(n= 0，1，2,3)情況下，機艙對風的過程相同；
[0010] 2)機艙可按順時針或逆時針兩種方向偏轉實現(xiàn)對風，此時順時針偏轉角度（記為 4* )與逆時針偏轉角度（記為4逆）存在關系：
[0011] 4 順二 360 -屯逆 (1)
[0012] 通過對比I4順I(yè)和I4逆I的大小，選擇較小者作為最短角度路徑方向，即偏轉的 角度二min{I順I(yè),I逆I}。
[0013] 步驟2 :機艙朝同一方向持續(xù)累計偏轉超過3圈，有可能出現(xiàn)扭纜現(xiàn)象。記風向角 為a，偏航角為丫。機艙偏轉角度絕對值不超過180°，故當I丫IG[0, 720。）時，機艙 執(zhí)行一次對風操作肯定不會發(fā)生扭纜；而當I丫IG[720。，1080° )時，對應I0I范圍為 [900° ,1260° ]，機艙執(zhí)行不當對風操作時很可能會發(fā)生扭纜。由于偏航控制系統(tǒng)在執(zhí)行 對風操作時，a與丫均屬于已知測量值，其差值0也可計算得到，因此在對風之前可預先 計算對風完成后I丫I和1080。的關系，有：
[0014]①若I丫I小于1080。，則不會發(fā)生扭纜；
[001引②若I丫I不小于1080°，則會發(fā)生扭纜。
[0016] 所述步驟1中，根據0的取值范圍分類，得到最短角度路徑偏航方向判別表，如表 1所示：
[0017] 表1偏航方向判別表
[0018]
[001引表1中。為偏航的圈數，通過計數傳感器巧。量得到。
[0020] 所述步驟2中，條件①下仍可按表1中最短角度路徑判別法實施對風；條件②下則 選擇和最短路徑相反實施對風，相當于其在對風同時執(zhí)行了一定程度的解纜，從而避免機 艙發(fā)生扭纜。條件②下對風路徑雖比最短路徑的路程長，花費時間相對多些，但能避免機艙 發(fā)生扭纜，風力發(fā)電機總的工作時間將提高。
[0021] 本發(fā)明一種基于預防扭纜的風力發(fā)電機偏航控制方法，技術效果如下：
[0022] 1)最短角度路徑偏航方向判別法。風機發(fā)電機組正常工作時，根據最短角度路徑 判別法來選擇偏航方向，使其花費盡可能短的時間完成對風，提高了風力發(fā)電機的工作效 率。
[0023] 2)預防扭纜偏航方向判別法。通過預算完成對風后偏航角可能取值大小，確定偏 航方向，大大的較小了機艙發(fā)生扭纜的概率，避免風力發(fā)電機停機解纜，提高風力發(fā)電機工 作時間，增大其發(fā)電量。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明偏航系統(tǒng)基本結構圖。
[00巧]圖2為本發(fā)明一種基于預防扭纜的風力發(fā)電機偏航控制方法流程圖。
[0026]圖3 (a)為實施例中采用傳統(tǒng)偏航控制策略對應偏航角仿真波形。
[0027] 圖3(b)為實施例中采用基于預防扭纜偏航控制策略對應偏航角仿真波形。
【具體實施方式】
[002引為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明算法提出具體實現(xiàn)步驟如下：
[0029] 步驟1:分析風力發(fā)電機偏航控制系統(tǒng)的基本工作原理。
[0030] 風力發(fā)電機偏航控制系統(tǒng)工作流程如圖1所示。
[0031] 設置風向角a為0°時，指向正北方向。風向順時針旋轉時a值為正，達到正南 方向時為180° ;風向逆時針旋轉時a值為負，在正南方向時為-180° ;即a的范圍為 [-180° ,180° ]。按同樣方式定義偏航角丫的方向，丫在正負方向分別最多旋轉5圈，貝U 丫的范圍為[-1800。，1800。]。a與丫的差值記為白。
[0032] 0 = 0時，葉輪吸收的功率最大，其物理意義在于風力發(fā)電機偏航控制過程中，應 使偏航角始終與風向角一致。由于不同時刻的風向是隨機的，那么就需偏航控制系統(tǒng)來控 制風力發(fā)電機的風輪始終跟隨風向的變化，即實現(xiàn)自動對風。其實現(xiàn)過程為當偏航控制系 統(tǒng)檢測到機艙偏離風向超過一定角度差時，偏航控制系統(tǒng)依據檢測到的角度差發(fā)出調向指 令，控制機艙轉向來進行對風，只有當角度差重新進入到允許誤差范圍時，本次自動對風完 成。
[0033] 同時風力發(fā)電機偏航控制系統(tǒng)還需要實現(xiàn)解纜功能，其實現(xiàn)解纜過程如下：系統(tǒng) 檢測到機艙向同一方向持續(xù)累計偏轉3圈后，若此時風速小于風力發(fā)電機啟動風速（風機 能發(fā)電的最低風速），此時風力發(fā)電機無電功率輸出，則風力發(fā)電機停機，偏航控制系統(tǒng)控 制機艙反方向旋轉3圈完成解纜；若此時風力發(fā)電機有電功率輸出，則暫不解纜，直到機艙 繼續(xù)同一方向持續(xù)累計增加到4圈時，則偏航控制系統(tǒng)控制停機，偏航控制系統(tǒng)再控制機 艙反方向旋轉4圈完成解纜；若因系統(tǒng)故障自動解纜未能成功，在同一方向扭纜持續(xù)累計 增加到5圈時，扭纜機械開關將動作使得風力發(fā)電機停機，并報告扭纜故障，需要人工進行 解纜操作。
[0034] 綜上所述可知，傳統(tǒng)的風力發(fā)電機偏航控制系統(tǒng)采用的是對風和解纜獨立工作的 控制模式，運種情況下風力發(fā)電機相對易于進入扭纜狀態(tài)，扭纜一旦發(fā)生解纜需要花耗一 定的時間，且運段時間風力發(fā)電機無出力。本發(fā)明一種基于預防扭纜的風力發(fā)電機偏航控 制方法，使對風和解纜協(xié)調工作，大大減少了風力發(fā)電機進入到扭纜狀態(tài)的概率。
[0035] 步驟2 :偏航控制策略設計依據的研究。
[0036] 本發(fā)明一種基于預防扭纜的風力發(fā)電機偏航控制方法，主要包括最短路徑判別法 和預防扭纜判別法，具體設計過程如下：
[0037] 步驟2. 1 :最短路徑判別法的制定。
[0038] 風機在正常運行范圍內，即機艙持續(xù)累計偏轉不超過3圈，此時0范圍為 [-1260° ,1260° ]。偏航控制系統(tǒng)自動對風過程中，機艙選擇W最短角度路徑跟隨風向變 化則能實現(xiàn)迅速對風。偏航控制系統(tǒng)可遵循W