CN101012809A - 基于风向标和输出功率的风力机偏航控制方法 - Google Patents

基于风向标和输出功率的风力机偏航控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种能源技术领域的基于风向标和输出功率的风力机偏航控制方法，在风向变化绝对值大于15°时，采用风向标控制方法；在风向变化绝对值小于等于15°时则采用功率控制方法，因风向、风速变化会引起发电机输出功率变化，功率检测仪测得发电机输出功率，只有在风向变化时才进行偏航控制，风速变化对功率控制方法仅仅视作干扰信号。其中，功率控制方法又分为逆时针旋转、顺时针旋转和原位停止三种工况。本发明能缩短风力机对风时间，提高风力机对风精度、发电机组风能利用效率和风力机使用寿命。

Description

基于风向标和输出功率的风力机偏航控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种风力发电技术领域的控制方法，具体地说，涉及一种基于风向标和输出功率的风力机偏航控制方法。
背景技术
风能是一种可再生能源，近年来，风能开发与利用已广泛受到高度重视。但风是一种矢量，具有随机性，无论是风向还是风速总是在不断地变化，要求控制风力发电机组的偏航控制系统，确保风力机机舱始终正面迎风，提高风能的利用效率和风力机寿命。
现有技术中，有人提出采用被动迎风偏航系统，由风力机的尾舵控制，当风向改变时采取被动对风方式，多用于小型、独立非并网型风力发电机组。还有人提出采用主动迎风偏航系统，根据位于下风向的风向传感器测得的风向信号进行主动对风控制，采取PI(比例积分)、模糊和最优控制等控制方法，适用于大型、并网型风力发电机组。这些方法虽然在一定程度上可以解决问题，但都存在不足之处。
经对现有技术的文献检索发现，Farret等在《Proc.of The 27th AnnualConference of the IEEE》(美国电气电子工程师协会第27届年会论文集)(2001年，第2卷，第1370--1375页)上发表的“Sensorless active yaw control forwind turbines”(风力机无速度主动偏航控制)，该文中提出了一种不使用风向传感器的HILL CLIMBING(瞎子爬山)控制方法，具体方法为：基于寻找函数最大值点原则，通过检测发电机的输出功率，并根据该输出功率的变化来控制偏航电机的转向，寻找最大输出功率值点，但是该方法只适用于小型、独立非并网型风力发电机组。检索中还发现，Kung Chris Wu等在《Proceedings of The FirstIEEE Regional Conference on Aerospace Control Systems》(首届美国电气电子工程师协会航空航天控制系统区域会议论文集)(1993年5月25-27日，第254-258页)上发表的“Evaluation of Classical and Fuzzy LogicControllers for Wind Turbine Yaw Control”(风力机偏航控制典型和模糊控制器分析比较)，该文中提出针对大型并网风力发电机组，采用主动迎风偏航系统，根据位于下风向的风向传感器测得的风向信号进行主动对风控制，采取PI(比例积分)、模糊和最优控制等控制方法，具体方法为：根据风速仪、风向标等传感器测得信号，对风力机实施偏航对风控制，其不足在于：偏航控制器的偏航控制信号源自风向传感器，而该传感器安置在下风向，往往容易受紊流等影响，测量精度不高，造成偏航控制效果不理想。
发明内容
本发明的目的在于针对大型、并网型风力发电机组偏航控制，提出一种基于风向标和输出功率的风力机偏航控制方法，使其在大范围风向变化时采用风向标控制方法，小范围风向变化时则采用功率控制方法，缩短风力机对风时间，提高风力机对风精度、发电机组风能利用效率和风力机使用寿命。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明在风向发生大范围变化时，采用风向标控制方法，发生小范围变化时则采用功率控制方法，因风向、风速变化会引起发电机输出功率变化，功率检测仪测得发电机输出功率，只有在风向变化时才进行偏航控制，风速变化对功率控制方法而言仅仅视作干扰信号。
所述的风向标控制方法，是指：当风向在大范围变化时(风向变化绝对值大于15°)，直接根据风的方向变化进行偏航控制，由DSP控制器发出驱动信号，启动偏航电机，再经过减速齿轮使得风力机对风偏转，一直到风向变化绝对值小于等于15°，偏航电机在原方向上继续旋转5°后再偏航3°为止。
所述的功率控制方法，是指：当风向在小范围内变化时(风向变化绝对值小于等于15°)，通过直接检测发电机输出功率，并采用瞎子爬山方法进行偏航控制。功率控制方法分为逆时针旋转、顺时针旋转和原位停止三个工况，即首先逆时针旋转，然后再根据功率变化值大小作出判断，是继续逆时针旋转，还是顺时针旋转或原位停止。由发电机转子侧的电压和电流经过信号转换电路输入DSP控制器，DSP控制器计算和处理，发出驱动信号，启动偏航电机，再经过减速齿轮使得风力机对风偏转，一直到偏航电机旋转角度绝对值等于0为止。
所述的功率检测仪，分别检测发电机转子侧的电压和电流，通过电流、电压传感器测量直流、交流和脉冲波形的电流和电压。
本发明采用风向标和输出功率的风力机偏航控制方法，在大范围风向变化时采用风向标控制方法，小范围风向变化时则采用功率控制方法，缩短风力机对风时间，提高风力机对风精度、发电机组风能利用效率和风力机使用寿命。风力发电机组并网后，初始化偏航控制系统并判断风向，风向变化绝对值大于15°，进行风向标控制，直至风向变化绝对值小于等于15°，此时偏航电机在原方向上继续旋转5°后再偏航3°，然后转为功率控制；风向变化绝对值小于等于15°，判断功率变化，若功率变化在功率差值给定范围内，返回初始位置，大于功率差值给定值，则偏航电机逆时针旋转5°，再次判断风向，小于15°，若逆时针旋转5°后，功率变化值变小，则继续逆时针偏航，直到功率变化值达到给定值范围就停止偏航；若功率变化值变大，则顺时针旋转5°，再一次判断功率变化值大小，若功率变化值变小则继续顺时针偏航，直到功率变化值达到给定值范围就停止偏航；若功率变化值仍然变大，则表明是因风速变化引起功率变化的，风向并没有发生改变，偏航电机原位停止。当风力发电机输出功率变化时，需要判断风向是否变化，以及偏航电机的偏转方向。为了减小偏航电机的盲动，采取偏航电机先逆时针偏转5°的措施；根据功率差值变化量，有效、快速地判断风速变化引起的输出功率变化，实施偏航控制。本发明从大型风力机偏航控制的角度，根据风向实际变化角度大小，采用风向标和输出功率控制方法。
本发明能够满足大型、并网型风力机偏航控制要求，对于缩短风力机对风时间，提高风力机对风精度、发电机组风能利用效率和风力机使用寿命具有积极意义。
附图说明
图1为本发明控制流程图
图2为本发明偏航系统及功率检测示意图
图3为本发明风向变化时功率控制示意图
图4为本发明风速变化时功率控制示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
大型风力发电机组的风力机偏航控制系统根据风向标传感器测得的风向信号，经过风力机偏航控制器(DSP控制器)发出自动偏航指令，偏航电机和传动机构(减速齿轮)组成的对风系统执行校正动作，使机舱准确对风。
如图1所示，本实施例具体实施流程如下：
a.风力发电机组并网后，初始化偏航控制系统并判断风向；
b.当风向Vd变化绝对值大于15°，直接跳转至A部分进行风向标控制，通过DSP控制器启动偏航电机，由偏航电机带动同轴联接的减速齿轮，并通过减速大齿轮带动机舱与塔架之间的回转支承带动机舱旋转，进行对风，一直到风向Vd变化绝对值小于等于15°时，偏航电机在原方向上继续旋转5°后再偏航3°便进行功率控制；根据功率变化值ΔP1进行判断，若ΔP1的变化值大于功率差值给定值ΔP*，则继续在原方向进行偏航控制，反之，则返回初始位置，结束偏航控制；
c.当风向Vd变化绝对值小于等于15°时，则根据功率变化值进行判断，若功率变化值ΔP1(功率差值中间变量)小于等于功率差值给定值ΔP*，则返回初始位置，不进行偏航控制，反之，偏航电机逆时针旋转5°后，若风向Vd变化绝对值小于等于15°，则进入B部分判断功率变化；
d.若ΔP1-ΔP2≤0成立，说明偏航方向正确，仍旧在原偏转方向采用功率控制方法进行偏航控制，根据功率变化值ΔP1进行判断，若ΔP1的变化值大于功率差值给定值ΔP*，继续在原方向进行偏航控制，反之，则返回初始位置，结束偏航控制；若ΔP1-ΔP2≤0不成立则进入C部分，偏航电机顺时针旋转5°，再根据功率变化值情况进行判断；
e.若ΔP1-ΔP2＞0成立，说明功率变化是风速变化引起的，偏航电机不再旋转，由C部分直接经D部分返回初始位置，不进行偏航控制，否则，进行功率控制，根据功率变化值ΔP1进行判断，若ΔP1的变化值大于功率差值给定值ΔP*，则继续在原方向进行偏航控制，反之，则返回初始位置，结束偏航控制。
该图中Vd为风向，P*为功率给定值，P为中间变量，Pf为检测的瞬时功率反馈值，ΔP1、ΔP2分别为功率差值中间变量，ΔP*为功率差值给定值，Δ为赋值给ΔP*的某常量值，θ为偏航电机旋转角度。
如图2所示，偏航系统及功率检测，其中：分别采用霍尔电流传感器和电压传感器检测电流和电压值，便获得了发电机的输出功率。电流传感器型号为LA28-NP，原边额定有效值电流为25mA，采用±15V电源供电，精度为±0.5％，原边电流测量范围为0～±36A。电压传感器的型号为LV28-P，原边额定有效值电流为10mA，副边额定有效值电流为25mA，采用±15V电源供电，精度为±0.6％，原边电流测量范围为0～±14mA。
如图3所示，风向变化时功率控制方法：假设风速未变化，当风向发生偏转时，则P(θ)＝P*max·cos(θ)，ΔP1＝P*max-P(θ)＝P*max·(1-cosθ)，其中，y轴为功率轴；x轴为偏航电机定位轴；θ为偏航变化角；ΔP为功率变化差值；ΔP*为功率变化差值给定值；P(θ)为功率瞬时值；曲线V1、V2为风向曲线；Pf为瞬时功率反馈值。由于在偏航变化角θ1时，ΔP1＞ΔP*，偏航电机向着V2风向转动，在偏航变化角θ2时有ΔP2＝Pf-P，ΔP＝ΔP1-ΔP2，ΔP＞ΔP*，所以，偏航电机仍向原方向转动，采样比较，直至到达偏航变化角θ3附近为止，此时功率变化值已达到给定范围，风力机组实现对风。
如图4所示，风速变化时功率控制：若风向不变，风速由Vs1变化到Vs2时，ΔP1＝P*1max-P*2max，ΔP1＞ΔP*，偏航电机起动，逆时针由θ2转到θ1，采样比较，ΔP＝ΔP1+ΔP2＞ΔP1，说明偏航方向错误，顺时针由θ1转到θ3，仍有ΔP＝ΔP1+ΔP2＞ΔP1，则说明风向未变，只是风速发生变化，偏航电机归位到原位。

Claims (6)

1.一种基于风向标和输出功率的风力机偏航控制方法，其特征在于，在风向变化绝对值大于15°时，采用风向标控制方法；在风向变化绝对值小于等于15°时则采用功率控制方法，因风向、风速变化会引起发电机输出功率变化，功率检测仪测得发电机输出功率，只有在风向变化时才进行偏航控制，风速变化对功率控制方法仅仅视作干扰信号。
2.根据权利要求1所述的基于风向标和输出功率的风力机偏航控制方法，其特征是，所述的风向标控制方法，直接根据风的方向变化进行偏航控制，由DSP控制器发出驱动信号，启动偏航电机，再经过减速齿轮使得风力机对风偏转，一直到风向变化绝对值小于等于15°，偏航电机在原方向上继续旋转5°后再偏航3°为止。
3.根据权利要求1所述的基于风向标和输出功率的风力机偏航控制方法，其特征是，所述的功率控制方法，通过直接检测发电机输出功率并采用瞎子爬山方法进行偏航控制，由发电机转子侧的电压和电流经过信号转换电路输入DSP控制器，DSP控制器计算和处理，发出驱动信号，启动偏航电机，再经过减速齿轮使得风力机对风偏转，一直到偏航电机旋转角度绝对值等于0为止。
4.根据权利要求1或者3所述的基于风向标和输出功率的风力机偏航控制方法，其特征是，所述的功率控制方法，分为逆时针旋转、顺时针旋转和原位停止三种工况：
若逆时针旋转5°后，功率变化值变小，则继续逆时针偏航，直到功率变化值达到给定值范围就停止偏航；
若功率变化值变大，则顺时针旋转5°，再一次判断功率变化值大小，若功率变化值变小则继续顺时针偏航，直到功率变化值达到给定值范围就停止偏航；
若功率变化值仍然变大，则表明是因风速变化引起功率变化的，风向并没有发生改变，偏航电机原位停止。
5.根据权利要求1所述的基于风向标和输出功率的风力机偏航控制方法，其特征是，所述的功率检测仪，分别检测发电机转子侧的电压和电流，通过电流、电压传感器测量直流、交流和脉冲波形的电流和电压。
6.根据权利要求1所述的基于风向标和输出功率的风力机偏航控制方法，其特征是，具体流程如下：
a.风力发电机组并网后，初始化偏航控制系统并判断风向；
b.如果风向变化绝对值大于15°，直接进行风向标控制，通过DSP控制器，启动偏航电机，由偏航电机带动同轴联接的减速齿轮，并通过减速大齿轮带动机舱与塔架之间的回转支承，带动机舱旋转，风力机实现对风，一直到风向变化绝对值小于等于15°时，偏航电机在原方向上继续旋转5°后再偏航3°便进行功率控制；
c.如果风向变化绝对值小于等于15°，则根据功率变化值进行判断，若功率变化值在功率差值给定范围内，则返回初始位置，反之，若大于功率差值给定值，则要求偏航电机逆时针旋转5°；同时，再次判断风向，当风向变化绝对值小于等于15°，则判断功率变化；
d.若逆时针旋转5°后，如果功率差值中间变量与功率差值中间变量之差小于等于零成立，说明偏航方向正确，仍旧在原偏转方向采用功率控制方法进行偏航控制，否则偏航电机顺时针偏航5°，同时，再次重复判断功率变化值；
e.若功率差值中间变量与功率差值中间变量之差大于零成立，说明功率变化是风速变化引起的，偏航电机不再旋转，返回初始位置，不进行偏航控制，否则，进行功率控制，根据功率变化值进行判断，若功率变化值大于功率差值给定值，则继续在原方向进行偏航控制，反之，则返回初始位置，结束偏航控制。
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