一种基于预防扭缆的风力发电机偏航控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明一种基于预防扭缆的风力发电机偏航控制方法，设及风力发电应用领域。
【背景技术】
[0002] 风力发电机是将风能转换为电能的设备，其工作特性会直接影响到发电效率和电 能质量。风能受环境因素影响极大，风向经常随机变动。如果风力发电机中风轮扫掠面和 风向不垂直时，不但承受很大的风力载荷，而且其输出功率也会急剧减少。偏航控制系统能 够跟踪风向的变化，是控制风力发电机来适应外界风向变化，对风力发电机工作特性具有 重要影响的一种装置。偏航系统能驱动风力发电机的机舱围绕塔架中屯、线旋转，使风轮扫 掠面与风向保持垂直。
[0003] 但是风力发电机机舱在偏航控制系统的控制下，进行方向调整的过程中，有可能 发生沿着同一方向累计转了许多圈，造成机舱与塔底之间的电缆扭绞。电缆扭绞轻则引起 风力发电机机舱方向调整不顺杨，重则引发电缆使用寿命降低直至电缆断裂失效。为了保 证风力发电机具有良好的工作特性，W提供尽可能多的风力发电，进行及时有效解缆也是 偏航系统所需要具备的功能。
[0004] 传统风力发电机偏航控制系统大多基于常规偏航控制，把其引入到风力发电系统 中来，对其控制算法进行完善和改进，主要有智能控制和模糊控制。智能控制和模糊控制算 法的实现需要W大量的数据样本为基础，但由于风力发电机面临的现场风向和风速的变化 具有随机性和波动性，同时对于风向、风速的数据采集和处理很难短时完成，因此运两类控 制算法虽然在理论控制上效果较好，但应用到风力发电机偏航控制系统中，实现起来具有 较大难度。
【发明内容】
[0005] 针对上述现有技术中的不足，并考虑到自动对风和发生扭缆并解缆对风力发电机 运行效率的不同影响，本发明提出一种基于预防扭缆的风力发电机偏航控制方法，减少由 于扭缆W及解缆导致的风力发电机停机事件，从而提高风力发电机发电量。
[0006] 本发明所采用的技术方案是：
[0007] -种基于预防扭缆的风力发电机偏航控制方法，包括W下步骤：
[0008] 步骤1 :风机在正常运行范围内，即机舱持续累计偏转不超过3圈，此时0 (风向 角与偏航角的差值）范围为[-1260° ,1260° ]。偏航控制系统自动对风过程中，机舱选择 W最短角度路径跟随风向变化则能实现迅速对风。偏航控制系统可遵循W下两条规则来实 施最短角度路径方向的判别：
[0009] 1) 0与0 ±360。*n(n= 0，1，2,3)情况下，机舱对风的过程相同；
[0010] 2)机舱可按顺时针或逆时针两种方向偏转实现对风，此时顺时针偏转角度（记为 4* )与逆时针偏转角度（记为4逆）存在关系：
[0011] 4 顺二 360 -屯逆 (1)
[0012] 通过对比I4顺I和I4逆I的大小，选择较小者作为最短角度路径方向，即偏转的 角度二min{I顺I,I逆I}。
[0013] 步骤2 :机舱朝同一方向持续累计偏转超过3圈，有可能出现扭缆现象。记风向角 为a，偏航角为丫。机舱偏转角度绝对值不超过180°，故当I丫IG[0, 720。）时，机舱 执行一次对风操作肯定不会发生扭缆；而当I丫IG[720。，1080° )时，对应I0I范围为 [900° ,1260° ]，机舱执行不当对风操作时很可能会发生扭缆。由于偏航控制系统在执行 对风操作时，a与丫均属于已知测量值，其差值0也可计算得到，因此在对风之前可预先 计算对风完成后I丫I和1080。的关系，有：
[0014]①若I丫I小于1080。，则不会发生扭缆；
[001引②若I丫I不小于1080°，则会发生扭缆。
[0016] 所述步骤1中，根据0的取值范围分类，得到最短角度路径偏航方向判别表，如表 1所示：
[0017] 表1偏航方向判别表
[0018]
[001引表1中。为偏航的圈数，通过计数传感器巧。量得到。
[0020] 所述步骤2中，条件①下仍可按表1中最短角度路径判别法实施对风；条件②下则 选择和最短路径相反实施对风，相当于其在对风同时执行了一定程度的解缆，从而避免机 舱发生扭缆。条件②下对风路径虽比最短路径的路程长，花费时间相对多些，但能避免机舱 发生扭缆，风力发电机总的工作时间将提高。
[0021] 本发明一种基于预防扭缆的风力发电机偏航控制方法，技术效果如下：
[0022] 1)最短角度路径偏航方向判别法。风机发电机组正常工作时，根据最短角度路径 判别法来选择偏航方向，使其花费尽可能短的时间完成对风，提高了风力发电机的工作效 率。
[0023] 2)预防扭缆偏航方向判别法。通过预算完成对风后偏航角可能取值大小，确定偏 航方向，大大的较小了机舱发生扭缆的概率，避免风力发电机停机解缆，提高风力发电机工 作时间，增大其发电量。
【附图说明】
[0024]图1为本发明偏航系统基本结构图。
[00巧]图2为本发明一种基于预防扭缆的风力发电机偏航控制方法流程图。
[0026]图3 (a)为实施例中采用传统偏航控制策略对应偏航角仿真波形。
[0027] 图3(b)为实施例中采用基于预防扭缆偏航控制策略对应偏航角仿真波形。
【具体实施方式】
[002引为了实现上述目的，本发明算法提出具体实现步骤如下：
[0029] 步骤1:分析风力发电机偏航控制系统的基本工作原理。
[0030] 风力发电机偏航控制系统工作流程如图1所示。
[0031] 设置风向角a为0°时，指向正北方向。风向顺时针旋转时a值为正，达到正南 方向时为180° ;风向逆时针旋转时a值为负，在正南方向时为-180° ;即a的范围为 [-180° ,180° ]。按同样方式定义偏航角丫的方向，丫在正负方向分别最多旋转5圈，贝U 丫的范围为[-1800。，1800。]。a与丫的差值记为白。
[0032] 0 = 0时，叶轮吸收的功率最大，其物理意义在于风力发电机偏航控制过程中，应 使偏航角始终与风向角一致。由于不同时刻的风向是随机的，那么就需偏航控制系统来控 制风力发电机的风轮始终跟随风向的变化，即实现自动对风。其实现过程为当偏航控制系 统检测到机舱偏离风向超过一定角度差时，偏航控制系统依据检测到的角度差发出调向指 令，控制机舱转向来进行对风，只有当角度差重新进入到允许误差范围时，本次自动对风完 成。
[0033] 同时风力发电机偏航控制系统还需要实现解缆功能，其实现解缆过程如下：系统 检测到机舱向同一方向持续累计偏转3圈后，若此时风速小于风力发电机启动风速（风机 能发电的最低风速），此时风力发电机无电功率输出，则风力发电机停机，偏航控制系统控 制机舱反方向旋转3圈完成解缆；若此时风力发电机有电功率输出，则暂不解缆，直到机舱 继续同一方向持续累计增加到4圈时，则偏航控制系统控制停机，偏航控制系统再控制机 舱反方向旋转4圈完成解缆；若因系统故障自动解缆未能成功，在同一方向扭缆持续累计 增加到5圈时，扭缆机械开关将动作使得风力发电机停机，并报告扭缆故障，需要人工进行 解缆操作。
[0034] 综上所述可知，传统的风力发电机偏航控制系统采用的是对风和解缆独立工作的 控制模式，运种情况下风力发电机相对易于进入扭缆状态，扭缆一旦发生解缆需要花耗一 定的时间，且运段时间风力发电机无出力。本发明一种基于预防扭缆的风力发电机偏航控 制方法，使对风和解缆协调工作，大大减少了风力发电机进入到扭缆状态的概率。
[0035] 步骤2 :偏航控制策略设计依据的研究。
[0036] 本发明一种基于预防扭缆的风力发电机偏航控制方法，主要包括最短路径判别法 和预防扭缆判别法，具体设计过程如下：
[0037] 步骤2. 1 :最短路径判别法的制定。
[0038] 风机在正常运行范围内，即机舱持续累计偏转不超过3圈，此时0范围为 [-1260° ,1260° ]。偏航控制系统自动对风过程中，机舱选择W最短角度路径跟随风向变 化则能实现迅速对风。偏航控制系统可遵循W