1 引言

　　能源是人類生存的基本要素,國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要物資基礎(chǔ)。由于化石資源的日益枯竭和人類對(duì)全球環(huán)境惡化的倍加關(guān)注,風(fēng)能作為取之不盡、用之不竭的清潔綠色能源已深受全世界的重視。隨著風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)步和風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā),我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)開(kāi)始形成。目前風(fēng)電場(chǎng)的全年發(fā)電量近8 億度,已形成產(chǎn)值20 多億元,在社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活中產(chǎn)生了一定的影響。風(fēng)力機(jī)的偏航控制系統(tǒng)作為風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)里的重要一環(huán),本文詳細(xì)介紹了一種基于新型算法的風(fēng)力機(jī)偏航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的偏航控制系統(tǒng),主要分為兩大類:被動(dòng)迎風(fēng)偏航系統(tǒng)和主動(dòng)迎風(fēng)系統(tǒng)。前者多用于小型的獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),由尾舵控制,風(fēng)向改變時(shí),被動(dòng)對(duì)風(fēng)。后者則多用大型并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),由位于下風(fēng)向的風(fēng)向標(biāo)發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)對(duì)風(fēng)控制。為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)揮最大效能,機(jī)艙必須準(zhǔn)確對(duì)風(fēng);只有在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪法線方向與風(fēng)向一致時(shí),才能確保風(fēng)力機(jī)吸收的功率最大。

　　圖1 控制器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

　　以前的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)硬件主電路主要采用一片89C51 單片機(jī)和兩片可編程8255A并行口I/O 接口芯片組成,硬件電路如圖1 所示;后來(lái)采用單片機(jī)AT89S52 和三片8155H 并行口I/O 接口芯片組成,二者的控制方式和原理是相同的,存在的主要缺陷是,采用這樣的控制器,其實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)處理速度不夠好。隨著系統(tǒng)的控制性能不斷提升,采用單片機(jī)作為偏航控制器已逐漸被性能更好、處理速度更快、實(shí)時(shí)性更高的DSP 和嵌入式系統(tǒng)所替代。本系統(tǒng)硬件電路采用DSP 作為系統(tǒng)偏航控制器。

　　3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1、系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。偏航系統(tǒng)通常其主要功能有兩個(gè):一是與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)相互配合,使風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài),提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率;其二是保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)含四組偏航系統(tǒng),四組偏航系統(tǒng)對(duì)稱分布,其中機(jī)艙與塔之間是回轉(zhuǎn)支承。

　　2、系統(tǒng)機(jī)組的選定。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是目前技術(shù)最成熟、研究最為廣泛的一類發(fā)電機(jī)組,自身有著諸多優(yōu)點(diǎn)。如與傳統(tǒng)的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比,采用雙饋電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有風(fēng)能利用系數(shù)高,能吸收由風(fēng)速突變所產(chǎn)生的能量波動(dòng)以避免主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過(guò)大的扭矩和應(yīng)力,以及可以改善系統(tǒng)的功率因數(shù)等。本文中的仿真模型采用了此種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

　　3、功率檢測(cè)。為有效進(jìn)行Hill Climbing 算法控制,功率檢測(cè)尤其顯為重要。功率檢測(cè)儀器位于轉(zhuǎn)子側(cè),這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子側(cè)的輸入輸出功率容量相對(duì)于定子邊要小,對(duì)功率變化檢測(cè)的精度要高,并且所需檢測(cè)儀器的容量也可相應(yīng)的有所降低。功率檢測(cè)的量主要包括電壓和電流的檢測(cè),如圖2 所示,虛線框內(nèi)給出的是偏航控制系統(tǒng)框圖。本設(shè)計(jì)選用了萊姆公司生產(chǎn)的LEM 電流、電壓傳感器。LEM 電流、電壓傳感器可測(cè)量直流、交流和脈沖波形的電流和電壓。在原邊電路和副邊電路之間由很高的絕緣強(qiáng)度,可以有效地保護(hù)副邊的測(cè)量設(shè)備,而且準(zhǔn)確、快速。

　　4、控制器。為了提高控制精度和實(shí)現(xiàn)信號(hào)跟隨,在信號(hào)輸入環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了二階反相濾波和信號(hào)跟隨,跟隨器采用性能優(yōu)越的OP07。工作電壓為5V 的光耦驅(qū)動(dòng)電路要想將信號(hào)輸入到TMS320LF2407 的A/D 輸入通道,必須要經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路,將電壓降低到0～3.3V 內(nèi)。TMS320LF2407 的I/O 端口作為輸出使用,它的工作電壓也是3.3V,所以為了驅(qū)動(dòng)光耦功率驅(qū)動(dòng)電路,必須要將電平提升至5V。圖3 所示為DSP 控制系統(tǒng)框圖,其中電平轉(zhuǎn)換電路(1)是將3.3V 的電壓轉(zhuǎn)換成5V,電平轉(zhuǎn)換電路(2)是將5V 電壓轉(zhuǎn)換成3.3V。設(shè)計(jì)中采用74ALVCl64245 模塊,它采用雙電壓供電,一邊采用3.3V 供電,另一邊采用5V 供電,因此可將3.3V 的電平轉(zhuǎn)換為5V 的電平,也可以將5V 的電平轉(zhuǎn)換為3.3V 的電平,同時(shí)可以用作兩個(gè)8位總線驅(qū)動(dòng)器或者一個(gè)16 位總線驅(qū)動(dòng)器。設(shè)計(jì)采用兩個(gè)8 位總線驅(qū)動(dòng)器。

　　5、開(kāi)關(guān)電路與機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和伺服電機(jī)的選擇。控制器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦驅(qū)動(dòng)電路和繼電器開(kāi)關(guān)電路控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),通過(guò)電磁閥指定偏航電機(jī)的狀態(tài)(開(kāi)起或停止)。最終通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪迎風(fēng)面始終垂直于風(fēng)向。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由偏航軸承、齒輪箱、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)組成,因?yàn)闄C(jī)艙轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大,為了減小機(jī)艙旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生大的陀螺力矩,機(jī)艙調(diào)向時(shí)要求大的傳動(dòng)比。設(shè)計(jì)采用三相交流伺服電機(jī)作為控制器的執(zhí)行元件。

　　4 控制算法

　　4.1 控制算法選擇

　　因位于下風(fēng)向,受到紊流等各種不利因素影響,且自身的測(cè)向精度也存在不足,使得控制信號(hào)都不甚理想,進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)風(fēng)精度不高,本文基于上述對(duì)風(fēng)方法的缺點(diǎn),首次提出了一種新型適用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的對(duì)風(fēng)偏航控制算法—VANE-HILLCLIMBING(V_HC)算法,設(shè)計(jì)了控制器。該算法由兩部分構(gòu)成:大范圍風(fēng)向變化時(shí)的風(fēng)向標(biāo)控制算法;小范圍風(fēng)向變化時(shí)的功率控制算法。

　　1、風(fēng)向標(biāo)控制(V_C)算法。當(dāng)風(fēng)向在大范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí),功率Hill Climbing 算法在偏航之前需要進(jìn)行偏航方向的判斷,這使得該算法難以快速跟蹤風(fēng)向在大范圍內(nèi)的變化;若此時(shí)風(fēng)速再發(fā)生變化引起功率的變化,則Hill Climbing 算法更難以進(jìn)行有效跟蹤,甚至可能出現(xiàn)風(fēng)向沒(méi)有對(duì)正前就停止偏航的現(xiàn)象。為解決上述問(wèn)題,提出在大范圍內(nèi)的風(fēng)向變化仍是采用風(fēng)向標(biāo)控制算法。該法的好處在于直接給出風(fēng)的變化方向,無(wú)需做出判斷,對(duì)于風(fēng)速變化是魯棒的。

　　2、功率Hill

　　Climbing(H_C)算法。當(dāng)風(fēng)向在大范圍內(nèi)變化時(shí),風(fēng)向標(biāo)控制算法可以直接給出風(fēng)的變化方向,并控制偏航系統(tǒng)進(jìn)行偏航,但對(duì)偏航的停止時(shí)刻,不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判斷。為減小誤差,進(jìn)一步提高對(duì)風(fēng)精度,提出此時(shí)采用Hill Climbing 算法。

　　4.2 V_HC 控制算法的優(yōu)點(diǎn)

　　1、功率方面:這里以1.5MW 風(fēng)力機(jī)為例說(shuō)明,設(shè)風(fēng)向標(biāo)不起作用的范圍為±15 度。此時(shí)的功率偏差與正對(duì)風(fēng)時(shí)相比:ΔP =1.5MW·(1-cos15°) = 51kW。若此時(shí)風(fēng)電廠的裝機(jī)數(shù)量為30 臺(tái),則節(jié)省出一臺(tái)1.5MW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,年增益將非常可觀。雖然風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不一定運(yùn)行在額定功率點(diǎn)上,對(duì)風(fēng)誤差未必為15 度,但上述討論定性的說(shuō)明了V_HC 控制算法的優(yōu)點(diǎn)。

　　2、系統(tǒng)壽命方面:影響系統(tǒng)壽命的因素是多方面的,側(cè)風(fēng)是不容忽視的一個(gè)因素。側(cè)風(fēng)不僅降低了最大風(fēng)能獲取,而且對(duì)旋轉(zhuǎn)中的槳葉構(gòu)成危害。側(cè)風(fēng)時(shí),在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,槳葉上所受力矩作周期性變化,輪轂、轉(zhuǎn)軸上也受到周期性的側(cè)向力作用,使三者的疲勞加深。同時(shí),周期性的力矩作用對(duì)包括鐵塔在內(nèi)的風(fēng)力機(jī)組形成具有一定頻譜的振動(dòng)源,對(duì)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)成危害。提高對(duì)風(fēng)精度,是降低側(cè)風(fēng)因素,提高系統(tǒng)壽命的一條有效途徑。

　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　以上分析可知,引起功率變化的兩大因素,一是風(fēng)向,二是風(fēng)速。這就要求只有在風(fēng)向變化的時(shí)候,才需要偏航,而風(fēng)速變化引起功率變化時(shí),偏航系統(tǒng)不需要。所以風(fēng)速變化,對(duì)于HillClimbing 算法來(lái)說(shuō)是一種干擾信號(hào),在程序設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮。該流程主要分為兩大部分:大于15 度時(shí)的風(fēng)向標(biāo)V_C 控制和小于15 度時(shí)的H_C 控制。在H_C 控制算法中又分為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和原位不動(dòng)三種情況。并網(wǎng)后,偏航控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化,而后判斷風(fēng)向。

　　(1) 風(fēng)向大于15 度,直接跳轉(zhuǎn)至虛線框A 部分進(jìn)行V_C 控制,到達(dá)15 度時(shí),偏航電機(jī)在原方向上仍旋轉(zhuǎn)5 度,而后再偏航3 度后進(jìn)行H_C 控制。

　　(2) 風(fēng)向小于15 度,則進(jìn)行功率變化判斷。

　?、偃艄β实淖兓诠β什钪到o定范圍內(nèi),則返回到初始位置;

　　②大于ΔP*,則電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)5 度,再次進(jìn)行風(fēng)向判斷,小于15 度,則向下進(jìn)入虛線框B 部分進(jìn)行功率變化判斷,若逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)5度后有ΔP1-ΔP2<0 成立,說(shuō)明偏航方向正確,則仍舊在原偏轉(zhuǎn)方向上用H_C 算法進(jìn)行偏航控制;

　?、鄯駝t進(jìn)入虛線框C 部分,偏航電機(jī)順時(shí)針偏航為Td＝＋5 度,并進(jìn)行上面類似的判斷;

　　④若此時(shí)有ΔP1-ΔP2>0,說(shuō)明是風(fēng)速發(fā)生變化導(dǎo)致功率變化,則電機(jī)不動(dòng),Td 應(yīng)為0 值,由C 直接經(jīng)D 跳轉(zhuǎn)至流程圖尾部。

　　當(dāng)功率發(fā)生變化時(shí),風(fēng)向是否發(fā)生變化,偏向何方均為未知。為減小偏航電機(jī)的盲動(dòng),此時(shí),偏航電機(jī)總是先逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)5 度,按隨機(jī)概率而論,只有二分之一的偏向判斷失誤。這是該流程圖的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。流程圖的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是在功率判別部分,采用了ΔP1-ΔP2>0 的功率變化判斷,此判斷可有效快速的對(duì)風(fēng)速變化引起的偏航干擾作出快速的判斷。
　　
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)

　　本文采用一種新的控制算法V_HC 算法,該算法不但提高了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈敏性,而且提高系統(tǒng)的輸出功率,對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的大型風(fēng)電場(chǎng),其效益極為可觀;同時(shí)提高系統(tǒng)的使用壽命。引入這樣的算法增加了風(fēng)力發(fā)電裝置偏航系統(tǒng)智能控制研究。同時(shí)給出以DSP 作為主控制器的硬件控制電路設(shè)計(jì)。

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　　作者簡(jiǎn)介:

　　張?jiān)?1968.5- ), 女, 漢族, 四川隆昌人,講師,研究方向:現(xiàn)代教育技術(shù),計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

　　包駿杰（1969.10-）,男,漢族,重慶萬(wàn)洲人,副教授,研究方向:現(xiàn)代教育技術(shù),計(jì)算機(jī)控制技術(shù)