机械设计论文发电机偏航控制系统方向论文范文
本文选自北大核心级期刊《中国机械工程》，《中国机械工程》杂志的前身是创刊于1979年的《湖北机械》，1983年更名为《机械工程》。经原国家科委批准，1990年主办单位变更为中国机械工程 学会，同时成为中国机械工程学会会刊，其主管单位为中国科学技术协会。1992年更名为《中国机械工程》，1998年由双月刊改为月刊，2002年改为半 月刊，自创刊以来，坚持自己的办刊方针特色，圆满完成了报道计划，取得了较好的经济效益和社会效益，为行业科技创新和发展做出了贡献，在业内形成重大影 响，深受读者欢迎。
摘要：在典型偏航控制系统中，基于单片机语言设计的偏航控制器负责偏航控制系统的中运算和控制，本文介绍双馈风力发电机组中目前国内应用最多的基于PLC控制的偏航控制系统，研究其系统特点及计算原理和控制原理，并针对该系统选用的偏航控制器在实际运用中调整角度困难及过零位检测存在的软件缺陷提出了新的角度调整方法和新的过零位检测控制逻辑。
关键词：风力发电机组,偏航系统,偏航控制系统,优化
0引言
在我国，兆瓦级风力发电机组在风能的开发中得到了大规模发展和应用。偏航控制系统作为兆瓦级风力发电机组控制系统的重要组成部分，用主动对风的控制功能实现着风力发电机组对风能捕获的追踪，使风轮始终保持在迎风状态，从而高效地利用风能，风能的高效利用也进一步降低了风力发电的成本。本文深入研究风电行业中主流的、应用于双馈异步风力发电机组主控系统中基于PLC控制的偏航控制系统（注：偏航控制系统为偏航系统的电控部分，偏航系统的组成为：偏航控制系统+偏航制动系统，其中偏航制动系统在风电行业中只有两种制动方式：摩擦式制动和液压式制动，本文研究的是偏航控制系统的改进优化），研究其偏航控制系统的设计特点、硬件计算原理和软件控制策略，旨在针对在实际运用存在的缺陷提出优化改进方案。
1关于偏航系统的控制原理
风电行业中，风力发电机组的偏航控制系统经历了从典型的偏航控制系统（单片机控制）向基于PLC控制的偏航系统的演变。
1.1典型的偏航控制系统（单片机控制）
图1典型的偏航控制系统
典型的兆瓦级偏航控制系统如图1所示，采用单片机控制的独立偏航控制器，工作原理为：气象传感器采集风向信号传递到偏航电机控制回路的处理器中，比较计算出偏航方向和偏航角度，并执行偏航达到对风目的，实现风力发电机组的追风功能。当对风执行完成后，风向传感器失去电信号，偏航驱动停止工作，则偏航过程结束。
1.2基于PLC控制的偏航系统
图2基于PLC控制的偏航控制系统
如图2所示为基于PLC控制的偏航控制系统，与典型的偏航控制系统不同的是此系统的偏航控制器是一个集成编码器的角度限位开关，它的作用的是用于机舱位置的测量和解缆控制，基于PLC控制的偏航控制系统的工作原理为：风速风向仪采集风向信号，偏航控制器检测机舱位置，PLC计算风向与机舱位置的偏差，判断后决定偏航方向和偏航角度，最终达到对风目的。
偏航控制系统的演变使得后者（基于PLC控制）的偏航控制系统作为其主控系统的一个子系统，迎风控制更为精准，且后者的偏航控制器仅仅用于机舱位置的测量和解缆控制，同时在故障风险上降低了集成于主控控制带来的不稳定度，客观上提高了风力发电机组的整体可靠性，成为如今风电行业中偏航控制的主流应用。
2偏航控制系统的硬件结构分析
图3基于PLC控制的偏航控制系统硬件设备
主流的、应用于双馈异步风力发电机组主控系统中基于PLC控制的偏航控制系统硬件结构如图3所示，其硬件组成为：高可靠性工控PLC，风速风向仪（超声波或机械式），用于机舱位置测量和解缆控制偏航控制器，变频器和偏航电机（注：刹车制动器为制动系统，除外）。
2.1测风系统（风速风向仪）
主流偏航控制系统中一般采用双风速风向仪的冗余控制设计，在风力发电机组的尾翼左右侧分别安装一个风速风向仪（超声波或机械式），双风速风向仪设计在风速风向测量上互为冗余，互为校订，测量结果更为准确，可靠性更高，此外，互为备用，即当其中一个风速风向仪出现故障时，PLC可选择进入一个风速风向仪模式。
2.2偏航角度限位开关
偏航控制系统硬件设备中，用于机舱位置测量和解缆控制的是偏航控制器，其中用于测量机舱位置的编码器为增量式编码器，由于增量式编码器无法掉电保存的特点，所以机舱位置的记录需要采用单独的寄存器进行保存。偏航控制器的解缆控制采用凸轮控制，由于凸轮与偏航齿圈存在转速比，因此风力发电机组在进行解缆控制时存在凸轮角度设定的计算。
偏航控制器中，偏航角度的限位开关由一个凸轮和一个开关组成，如图4，通过计算出凸轮的设定角度，实现当风机旋转到极限角度时，凸轮触发开关，断开电信号，PLC检测到失去电信号，进行偏航自动解缆。
图4偏航角度限位开关的基本原理
偏航控制系统实现着风力发电机组的对风功能，同时也维护者偏航过程中的安全保护（其中扭缆出发纤维开关为最高安全链断开保护的环节之一）。因此，偏航控制器选用了四组凸轮开关组合，分别用于左极限报警、右极限报警、极限报警失效保护及过零标志位4个重要信号的硬件保护环节。
2.2.1偏航角度限位开关角度计算
偏航控制过程中，关于偏航凸轮角度的计算（结合风力发电机组中偏航齿圈的传动）：
图5偏航系统齿轮传动原理
如图5为风力发电机组中偏航系统的齿轮传动，偏航控制器通过自身的啮合齿圈（如图中标出）啮合在偏航齿圈上，其内部的齿轮传动将转速传递到凸轮，则偏航凸轮角度与偏航齿圈的角度关系为:
公式1凸轮角度与偏航角度的计算关系
以上，偏航控制器中，凸轮式角度限位开关通过其凸轮角度匹配着偏航角度实现着风力发电机组的解缆保护。
所有偏航控制器式的风力发电机组中，皆可根据公式1及该款风力发电机组的偏航部件参数，实现其该偏航系统的极限告警角度下限位开关凸轮的安全保护。
如某风场中某公司2MW的WT2000风力发电机组中，用于北方型的扭缆保护参数如下：
电缆极限扭曲角度：900°
推荐保护极限720°
某WT2000型风力发电机组的偏航传动中相关参数为：
偏航齿圈：164
偏航控制器齿圈：10
二者之间传动比为：1:16.4
其风力发电机组偏航系统的偏航控制器中，偏航角度限位开关齿圈与旋转凸轮的传动比为：1:92
以推荐保护极限720°计算，可算出左右报警极限凸轮的最小设定角度为：
则以此计算角度可进行左右报警极限凸轮角度的设定。如下图6所示，只要保证凸轮位置到触点大于128.34°就可以保证在风力发电机组的机舱位置位于720°时触发极限报警，从而实现风力发电机组的自动解缆功能。
图6左右极限凸轮调节示意图
同样，极限报警失效保护开关的也采用相同的方法计算后设定。
2.2.2偏航角度限位开关角度的零位校定
偏航控制器中偏航角度限位开关的另一个特点是过零标志位凸轮。它是机舱位置零位硬件的标志位，由于机舱位置的检测采用增量式编码器，因此软件在计算过程中会出现累积误差，为了消除累积误差，每当过零标志位凸轮所对应的开关输出变化的电信号时，主控软件可对偏航计数器进行一次清零，重新将机舱的位置设定为0°。
图7过零位标志凸轮
风力发电机组偏航的过程中，如图7所示，过零标志位凸轮的弧度为180°，以开关的触点为分界，PLC以此分界来判断风力发电机组机舱位置的左右方向，通常将凸轮触发，失去电信号的时区指示机舱位置位于左边，反之当凸轮松复位，恢复电信号的时区只是机舱位置位于右边。
3偏航系统的控制流程和控制策略分析
3.1偏航系统控制主流程
基于PLC控制的偏航控制系统，扩展性高，作为主控系统中的子系统，便于控制和判断，减少软件复杂程度。
图8偏航控制系统主流程图
图8为风力发电机组的偏航控制系统主流程图，分为服务模式和自动模式（匹配于风力发电机组的自动控制和手动控制），服务模式用于人工工作偏航，自动偏航实现风机的自主主动对风。自动模式下，偏航控制器提供机舱位置电信号和解缆信号给PLC，由PLC进行判断和决定是否需要进行自
动偏航。
3.2偏航控制系统方向信号采集及位置计算
图9风向补偿
如图9中，可将风速风向仪采集的风向信号进行转速和风速补偿，采用了双风速风向仪的冗余设计，其策略是将两个风速风向仪数据先进行均值函数计算，如图10。
图10双风速风向仪平均风向求法
其后，PLC将经过处理后的风向信号与PLC从偏航控制器获得的机舱角度，进行机舱偏航需求位置计算，计算出偏航系统启动偏航后的目标位置标志位。通过目标标志位置值与风向的角度比较计算出机舱位置偏差，由此来作为自动偏航的启动控制基础，其控制流程如图11（偏航系统不直接以风向与机舱位置偏差直接作为偏航参考值，是基于实际风况中风向不稳定的因素）。
图11机舱位置信号处理
3.1偏航控制系统的自动对风
自动模式下，PLC根据计算出机舱位置偏差，进行满足自动偏航条件的判断后进入到自动偏航状态。控制过程为：1）PLC完成偏航方向判断后启动偏航；2）偏航过程中，PLC根据机舱位置需求计算完成偏航所需时间，同时通过偏航控制器编码器、过零位标志凸轮检查机舱选择方向是否正确及位置是否超限，直致完成对风；3）退出偏航模式。自动偏航控制流程如下图12。
图12自动偏航流程
3.1偏航控制系统的扭缆保护
当风力发电机组的机舱偏航超限时，偏航控制器可实现自动返回以保护电缆不被过扭至损坏。偏航解缆控制的过程分为：左偏航解缆、右偏航解缆和报警失效保护。报警失效保护是指在自动解缆过程中偏航控制器检测到相应极限报警电信号失去时，偏航控制器首先屏蔽自动偏航，并将风向信息封锁，然后进行反方向解缆，此过程中，偏航控制器检测过零标志位凸轮，通过检测零标志位电信号产生的变化来确认机舱回到顺缆位置而完成自动解缆。
图13为偏航解缆的控制流程图。
图13偏航解缆控制流程
此外，当失去极限报警失效保护开关的电信号，偏航控制器将默认为故障并反馈信号至风电发电机组主控PLC，风力发电机组将停机。
4偏航控制系统的改进与优化
由以上分析，此偏航控制系统在硬件上和软件存在一定缺陷。
4.1硬件缺陷分析及改进
1）此偏航系统的偏航控制器用于解缆控制（左右极限凸轮）的角度限位开关采用凸轮设计，且凸轮需要进行准确的调整至合理位置，角度调小，会造成偏航系统小角度解缆，解缆频繁，角度调大，则失去了解缆保护的功能；
2）传统的调整设定方法在偏航控制器安装之前，通过旋转偏航控制器的齿圈，使之带动凸轮，旋转一定圈数后，使凸轮达到调整位置，这种方法因为旋转圈数多，速度慢；
3）如若将此凸轮的调整采用经验调整法，即通过原理图，根据经验进行调整，这种方法调整虽然快，但不精准。实际应用中，张北某风场采用经验调整法，现场出现20余台该机型风机因为偏航控制器凸轮角度调整过小，造成风机400°左右就进入自动解缆。一次解缆时间为15-20分钟，长时期如此，减少了风力发电机组的可利用率和发电时间。
针对此现象，本文通过研究其偏航控制器的工作原理和计算原理，提出一种新的简单有效地对半调整法。
图14偏航凸轮对半调整方法
原理如图14，开关的位置固定不变，偏航控制器的凸轮的弧度为60°，以此开关为界线，将凸轮旋转至开关对面，平均分割，再经过利用凸轮对半两次调整，使凸轮位置到达135°，反向求证135°所对应的机舱位置：
经过计算，如此调整解缆控制凸轮快速精确，既能保证最大限度的利用电缆的扭曲度，减少风机的解缆频率，调整方式简单高效。
本风机在采用此调整方法后，在调整速度与准确度上都得到了大幅度提高。同样，所有主流的、采用偏航控制器式的风力发电机组可通过此计算方法进行偏航控制系统的设定调整。
4.2软件缺陷分析及优化
图15零位设置流程图
如前面所述，偏航系统中为了弥补增量式编码器累加的计数误差，软件中设计了触发偏航控制器的过零位标志凸轮来重新校对机舱位置的方法，如图15，但此设计是存在缺陷：
PLC检测的是开关信号（即在运行过程中，偏航系统实际没有启动），但由于接线松动、线路短路、掉电等原因造成该反馈回路电信号丢失，而如果在故障发生前，PLC检测到该回路有电信号（凸轮松开触点，产生电信号这个区间认为风机机舱位置处于右边），当故障出现后，PLC将会将机舱位置重新设置为0°，造成了正确机舱位置的丢失。
针对此现象，本文提出改进此控制逻辑，增加对该回路的反馈供电线路的反馈，并增加判断条件。如图16，通过增加对该回路供电线路的检测，只有供电回路反馈始终有电信号的情况下，PLC才会对零位进行重新设定。
图16优化零位设置后的流程图
5结论
基于PLC控制、采用偏航控制器的偏航控制系统的风力发电机组数量有数千台。研究其偏航系统的硬件设计、计算原理，软件控制，对于同样采用此偏航控制系统的风力发电机组，改进其性能提高其对风能的利用，以及对整个风场工程风能利用率提高的工程价值，有着很大的意义。此外，对于偏航系统的自主设计有具有借鉴意义（目前，我国的主控系统（包括偏航）多为国外设计）。
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