风力发电偏航控制系统研究及技术展望

风力发电偏航控制系统研究及技术展望

李环环

(大唐河南清洁能源有限责任公司河南洛阳450000)

摘要：风力发电机组偏航系统是风力发电机重要的组成部分之一，偏航系统的故障问题将直接影响风力发电机组的有效运行。当前由于全球环境问题的日益加重，人们越来越重视对环境的保护问题。风力能源由于其可再生的性质，得到社会的广泛认可，尤其是在中国对于风力能源的开采力度不断地在加大。本文就风力发电机偏航系统控制进行分析，达到其整体的控制需求。

关键词：风力发电机；偏航系统；控制

1风力发电机偏航控制系统分析

1.1风力机组

风力发电机是直接将风能转化为机械功，然后利用机械功实现对转子的带动旋转，最终输出交流电。在转换能量的时候，基于风力机将风能直接转变为机械能，然后将机械能转换成为电能，这样就可以满足实际的转换，让风力机组可以满足其实际的应用目标。

1.2偏航系统结构

基于大型水平轴风电机组，其包含的部分主要是针对偏航轴承、驱动装置、计数器等。

1.3偏航系统功能

偏航控制系统也属于对风装置，其包含的具体功能在于：配合机组控制系统，放出现风速矢量方向改变的时候，利用偏航控制系统的处理，就可以实现风向平稳而快速的对准，并且也可以满足风轮最大风能的实现；针对风机电缆而言，还需要考虑到单向缠绕偏多从而引发电缆出现断裂现象[1]。一旦电缆缠绕，就能适应自动解缆处理的需求，进而实现风机的运行安全性。

2风力发电机组偏航系统常见故障

风力发电机组偏航系统第一个常见问题就是偏航系统运行噪音偏大，噪音的发生往往伴随着振动的产生，为风力发电机组的整体运行带去不利的因素，其主要的产生原因有很多，比如偏航阻的尼力矩过大造成噪音的产生、偏航制动器和偏航制动盘之间的相互摩擦产生的噪音、风力发电机组的机械结构件相互干涉产生的噪音等；第二个问题是由于偏航过程当中的偏航制动时受到外部风力的冲击，造成的偏航驱动齿轮箱打齿问题，以及由于风力发电机组的机舱和塔筒之间的关键连接部分出现问题，造成的偏航轴承断齿及滚动的脱落问题；第三个主要问题就是由于风向标信号以及偏航阻尼力矩等原因造成的偏航定位不准确问题；第四个主要问题是由于缺少日常维护，或没有及时地更换偏航制动盘，造成的偏航制动盘磨损十分的严重；最后一个就是制动系统液压管路的泄露造成的偏航制动系统的压力不稳定现象的发生[2]。

3基于模糊控制的偏航系统控制策略

3.1原理简介

系统组成。模糊控制本身的系统结构与普通的数字化控制系统是基本一致的，区别就在于通过模糊控制实现模糊控制系统的运行。对于模糊控制系统，其一般是由输出量、输入量的规范化、模糊化输出量等对应的部分组成。基本思路。基于一定的逻辑与推理，模糊控制就是针对人的经验来实施总结，确保其可以实现模型化、规则化以及预演化处理，然后转化成为另外一种形式，通过计算机的控制与接受，这样就可以实现对人的替代，实现最终的监控与控制处理，最终将模糊控制落到实处，基于手动的控制，在引入语言变量等对应的概念之后，配合适当的改进与调试就可形成模糊的控制器，在具体的使用环节，还需要注意：模糊量化处理输入/输出量；基于操作人员自身的能力，建立对应的表格，做好控制规则的建立健全；考虑到信息的输出模式差异，还需做好对应的筛选、判决以及评价等。

3.2基于风速分布的模糊偏航重启策略设计

选择模糊控制器。基于不同的维数，模糊控制器包含多种类型的控制器，考虑到维数差异，就会出现不同的性能。一般情况，一维针对直观的控制，确保输入与输出的相互对应；二级模糊控制本身的性能更佳，可广泛运用到动态控制之中；多维模糊控制虽更优秀，但需结合诸多因素来配合其控制规则。因此，一维模糊控制是本身的最佳选择。精确量的模糊化。模糊化过程本身是由精确向模糊演变的一个过程，主要是在确定模糊控制器输入量后直接转化为对应的模糊语言变量值，然后实现模糊语言的模糊集合。针对本文的设计，模糊控制器涵盖输入量、输出量，其中风速分布就是输入，不同风速区间偏航角度的阈值则是输出。由于两者均时清晰量，所以还要立足于输入输出的量实施模糊化处理，最终在模糊控制器之中加以应用。对于风速大小的偏差定义，本文定义为语言变量e，取z的范围，其e的尺度为（ex-9）/2，其中，在[3,15]的范围内，ex出现变化，其尺度在改变之后成为[-3，3]，其论域空间为[-3，-2，-1，0，1，2，3]，其为风速值的表达。基于不同风速区间的不同阈值，其语言变量为u，当处于风速较大的区间，其阈值会得到相对的减少，在其偏航次数增加之后其范围就在[0.7，1.3]之间，而论域空间为[0.7，0.8，0.9，1，1.1，1.2，1.3]。确定语言值隶属度函数。选择模糊控制的隶属度函数是非常关键的，好比模糊控制规则对于语言值的定义。大部分模糊控制器在连续隶属度函数选择的时候确保语言值本身精准的描述，这样就可满足模糊控制器基本性能的提高。所以，连续的三角形隶属度函数包含了输入与输出函数。利用Mamdani规则，其包含了{PB，PS，Z，NS，NB}五个语言值。建立模糊规则。在整个模糊控制系统中模糊规则是最为关键的一部分，其建立的合理性关系到模糊控制器的性能与设计。一般来说，通过执行IF-THEN规则顺利组建模糊控制的规则库，其e、u均代表语言变量的语言值。基于模糊规则表提出的要求，利用FCI模糊控制器，生成推理规则。反模糊化。模糊值即为模糊控制系统，无法对被控对象加以控制，需在转换执行机构后才能执行精确量。针对这一环节应充分考虑解模糊处理，它其实也属于模糊的判决。通过质心法的使用，就可满足流行与科学模糊化处理的基本要求，这主要涉及子集里所有的元素信息，本身就比较精确[3]。设计模糊控制器。在设计模糊控制器的时主要包含：结构的选择。模糊控制器好比一个框架，实现对整个系统的支撑。选择模糊控制器结构的时候，不同的结构输入量和输出量的确定也会有所差异。一般会选择二维结构：模糊和反模糊化。模糊化是把既有的清晰量转化为模糊量，在输入量实施定义的过程中一般都会考虑到不精准自然语言的选择，通过控制器，有利于对自然语言的有效判断[4]。其反模糊化是确定精确量的一个过程，模糊化的过程中基于模糊集合的输出投影转化精确控制量，最终完成反模糊化的处理；在模糊推理决策算法的设计环节，应先直接确定模糊结构，接着建立对应的规则，在实施推理后就可将输出的模糊量明确，再配合上反模糊化，最终将输出量明确。

4仿真结果与分析

基于以上的科学合理分析，对于风速分布控制要注意设计好模糊控制器，以便搭建对应的偏航系统仿真模型。本文研究的模糊控制偏航重启对风策略可实现功率增长较慢的风速区间偏航次数的有效减少，以总偏航次数不增多为前提，增加功率增长较快的中风速区间发生偏航现象的次数，如此就能持续提高功率输出，再配合上延长偏航系统的基本寿命，最终实施经济性运行。

参考文献：

[1]仇华炳,赵晏强,马廷灿.风力发电机组关键技术专利态势分析[J].科技促进发展,2017,13(10):759-767.

[2]孙园,张辑.风电网络偏航控制器的优化设计与实现[J].计算机仿真,2016,33(09):151-154+162.

[3]沈小军,杜万里.大型风力发电机偏航系统控制策略研究现状及展望[J].电工技术学报,2015,30(10):196-203.

[4]孙蓉,李冰,苏丽,吕淑平,于鑫.基于PLC的风力发电控制系统设计[J].实验技术与管理,2015,32(04):86-91.