基于PID的偏航策略

摘 要 偏航系统是风力发电机组特有的位置随动伺服系统，也称为对风装置。偏航系统的功能有两个：一是与控制系统相互配合，使机舱轴线能够快速平稳地对准风向，以便获得最大的风能；二是当风力发电机组由于偏航作用，当机舱至塔底引出电缆到达设定的扭缆角度后，自动解除缠绕。本文采用PID算法来实现机舱在最短时间内对风，以获得最大风能，提高工作效率。文章首先从偏航的风向信号、风速信号、停止信号的条件做了详细介绍，然后给出了偏航指令输出控制的条件，最后给出了解缆时需要满足的判断条件。

关键词 PID；偏航； 解缆

中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）15-0000-00

1 基于PID的偏航策略设计思想

风力机偏航的原理是通过风传感器检测风向、风速，并将检测到的风向信号送到微处理器（PLC），微处理器（PLC）计算出风向信号与机舱位置的夹角，并发出一定的信号给偏航驱动电机和齿轮箱，从而确定是否需要调整机舱方向以及朝哪个方向调整能尽快对准风向，尽可能的减少风能损失，增加有效工作时间。

偏航控制本身对响应速度和控制精度并没有严格的要求，但是在对风过程中风力发电机组是作为一个整体转动的，具有很大的转动惯量，因此，为了减小瞬时的大风对偏航系统的影响，从稳定性考虑，需要偏航系统的偏航方向、偏航角度、停止信号都严格明确，并且需要足够的阻尼。另外，偏航轴承的巨大齿轮环安装在机舱下部，齿轮环与偏航电机的齿轮相啮合，因此，为了保证偏航的平稳，一般采用2个或2个以上的偏航电机同时带动偏航轴承转动。对于偏航信号的判断主要分偏航方向判断、偏航指令输出控制判断、解缆方向判断三个方面详细说明。

2 偏航方向判断

偏航方向通常包括向左和向右偏航，其判断控制逻辑如图1所示。当偏航停止信号为TRUE时，偏航方向信号复位；当偏航停止信号为FALSE时，根据90秒和30秒内的平均风向来判断需要偏航的方向。90秒和30秒内的平均风向用来互相校验。

偏航停止信号为FALSE时，选择90 s内平均风向，作为输出；为TURE时，选择180.0作为输出。当90 s的平均风向小于160.0且持续时间大于30 s或者90 s的平均风向小于170.0且持续时间大于4.5 s时，RS1的SET置位，执行左偏航信号输出。同理，当90 s的平均风向大于180.0且持续时间大于4.5 s或者90 s的平均风向大于195.0且持续时间大于30 s时，RS2的SET置位，执行右偏航信号输出。当偏航信号停止时，左偏航和右偏航同时停止。在进行左偏航过程中，当90 s的平均风向大于172.0且持续时间大于4s或者有来自其他软件的偏航停止信号，RS1的RESET置位，停止左偏航。同理，在进行右偏航过程中，当90 s的平均风向小于180.0且持续时间大于4 s或者有来自其他软件的偏航停止信号，RS2的RESET置位，停止右偏航。

其中，偏航停止信号的控制逻辑判断为：当出现偏航机构故障、解缆操作激活、处于初始化模式、风向标故障、液压系统故障、参观按钮或维护模式按钮开、50 s内平均风速持续小于5 s，这些情况中的一种发生时，偏航停止信号为TRUE。

3 偏航指令

偏航指令输出控制包括偏航系统允许液压闸释放信号、左偏航指令输出和右偏航指令输出。首先控制液压闸释放，延迟一段时间后才进行偏航操作，当偏航操作完成后，偏航液压闸制动后停止偏航。同时，偏航指令的输出解缆和维护模式下的偏航操作。当存在偏航机构、安全系统解缆开关等故障时，则停止偏航操作。

当解缆左偏航为TURE时，或者左偏航信号为TURE时，或者维护模式左偏航信号为TURE时，且没有来自右偏航的任何信号，也没有来自故障系统的任何信号，且时间延迟10s，则执行左偏航动作；同理，当解缆右偏航、右偏航信号或维护模式右偏航信号其中一项为TURE时，且没有来自左偏航的任何信号，也没有来自故障系统的任何信号，且时间延迟10 s，则执行右偏航动作。这两种情况下，在延迟的10 s内执行打开偏航电机电磁刹车，降低偏航系统刹车压力。

4 解缆方向判断

在PLC主控中，解缆实际上也可以看做一种偏航操作，只不过在解缆过程是由特殊事件触发，并有其自有特点。判断解缆方向的控制逻辑如图2所示，其中虚线框内的控制目的是为了防止解缆死锁。当前的偏航位置大于600°或小于-600°时进行解缆动作。

当扭缆角度大于600°时，且风机处于正常运行模式，RS1的SET置位，执行解缆右偏航；机舱与风向的夹角小于27.0时（或者纽缆角度小于360.0），或者软件复位信号持续5s，则RS1的RESET置位，停止解缆右偏航。当扭缆角度小于-600°时，且风机处于正常运行模式，RS2的SET置位，执行解缆左偏航；机舱与风向的夹角小于27.0时（或者纽缆角度小于-360.0），或者软件复位信号持续5 s，则RS2的RESET置位，停止解缆左偏航。解缆左偏航和解缆右偏航的停止信号条件是相同的。

5 前景展望

本文采用PID的偏航策略设计了偏航系统的左/右偏航方向、偏航指令输出及解缆左/右偏航方向判断，考虑实际风向信号的特点，设置了多种可能的逻辑条件，对每一种情况下的逻辑图都做出了详细说明。目前，国内真正用于实际风场的控制方法还是传统PID控制方法，因为其静态稳定性好，可靠性高，响应快。但鉴于现代多种智能控制方法的快速发展和应用，如模糊控制、神经网络控制、专家控制方法等都很成熟，且有各自的优势，比如动态性能好、无残差等，所以多种智能方法相结合用于风电机组偏航控制系统将是未来发展的趋势。

参考文献

[1]高文元，马小英，崔鹏，王加伟，王现青.MW级风力发电机组的偏航系统控制策略[J].科学技术与工程，2010（02）.

[2]张嘉英，王文兰，蔡永刚.风力发电机组偏航控制系统[J].兵工自动化，2009（11）.

[3]高文元，马小英，王现青，王加伟.基于PSCAD的双馈风力发电机偏航控制的研究[J].甘肃科技，2010（02）.

[4]宋建军，张扬，张长安，杨丰.基于模糊控制的风力发电机组偏航系统研究[J].电网与清洁能源，2011（07）.

[5]朴海国，王志新.风电机组偏航Fuzzy-PID合成控制系统仿真[J].电工技术学报，2009（03）.

作者简介

姜攀（1982-），女，山东烟台人，北京铁路电气化学校，助讲。endprint

摘 要 偏航系统是风力发电机组特有的位置随动伺服系统，也称为对风装置。偏航系统的功能有两个：一是与控制系统相互配合，使机舱轴线能够快速平稳地对准风向，以便获得最大的风能；二是当风力发电机组由于偏航作用，当机舱至塔底引出电缆到达设定的扭缆角度后，自动解除缠绕。本文采用PID算法来实现机舱在最短时间内对风，以获得最大风能，提高工作效率。文章首先从偏航的风向信号、风速信号、停止信号的条件做了详细介绍，然后给出了偏航指令输出控制的条件，最后给出了解缆时需要满足的判断条件。

关键词 PID；偏航； 解缆

中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）15-0000-00

1 基于PID的偏航策略设计思想

风力机偏航的原理是通过风传感器检测风向、风速，并将检测到的风向信号送到微处理器（PLC），微处理器（PLC）计算出风向信号与机舱位置的夹角，并发出一定的信号给偏航驱动电机和齿轮箱，从而确定是否需要调整机舱方向以及朝哪个方向调整能尽快对准风向，尽可能的减少风能损失，增加有效工作时间。

偏航控制本身对响应速度和控制精度并没有严格的要求，但是在对风过程中风力发电机组是作为一个整体转动的，具有很大的转动惯量，因此，为了减小瞬时的大风对偏航系统的影响，从稳定性考虑，需要偏航系统的偏航方向、偏航角度、停止信号都严格明确，并且需要足够的阻尼。另外，偏航轴承的巨大齿轮环安装在机舱下部，齿轮环与偏航电机的齿轮相啮合，因此，为了保证偏航的平稳，一般采用2个或2个以上的偏航电机同时带动偏航轴承转动。对于偏航信号的判断主要分偏航方向判断、偏航指令输出控制判断、解缆方向判断三个方面详细说明。

2 偏航方向判断

偏航方向通常包括向左和向右偏航，其判断控制逻辑如图1所示。当偏航停止信号为TRUE时，偏航方向信号复位；当偏航停止信号为FALSE时，根据90秒和30秒内的平均风向来判断需要偏航的方向。90秒和30秒内的平均风向用来互相校验。

偏航停止信号为FALSE时，选择90 s内平均风向，作为输出；为TURE时，选择180.0作为输出。当90 s的平均风向小于160.0且持续时间大于30 s或者90 s的平均风向小于170.0且持续时间大于4.5 s时，RS1的SET置位，执行左偏航信号输出。同理，当90 s的平均风向大于180.0且持续时间大于4.5 s或者90 s的平均风向大于195.0且持续时间大于30 s时，RS2的SET置位，执行右偏航信号输出。当偏航信号停止时，左偏航和右偏航同时停止。在进行左偏航过程中，当90 s的平均风向大于172.0且持续时间大于4s或者有来自其他软件的偏航停止信号，RS1的RESET置位，停止左偏航。同理，在进行右偏航过程中，当90 s的平均风向小于180.0且持续时间大于4 s或者有来自其他软件的偏航停止信号，RS2的RESET置位，停止右偏航。

其中，偏航停止信号的控制逻辑判断为：当出现偏航机构故障、解缆操作激活、处于初始化模式、风向标故障、液压系统故障、参观按钮或维护模式按钮开、50 s内平均风速持续小于5 s，这些情况中的一种发生时，偏航停止信号为TRUE。

3 偏航指令

偏航指令输出控制包括偏航系统允许液压闸释放信号、左偏航指令输出和右偏航指令输出。首先控制液压闸释放，延迟一段时间后才进行偏航操作，当偏航操作完成后，偏航液压闸制动后停止偏航。同时，偏航指令的输出解缆和维护模式下的偏航操作。当存在偏航机构、安全系统解缆开关等故障时，则停止偏航操作。

当解缆左偏航为TURE时，或者左偏航信号为TURE时，或者维护模式左偏航信号为TURE时，且没有来自右偏航的任何信号，也没有来自故障系统的任何信号，且时间延迟10s，则执行左偏航动作；同理，当解缆右偏航、右偏航信号或维护模式右偏航信号其中一项为TURE时，且没有来自左偏航的任何信号，也没有来自故障系统的任何信号，且时间延迟10 s，则执行右偏航动作。这两种情况下，在延迟的10 s内执行打开偏航电机电磁刹车，降低偏航系统刹车压力。

4 解缆方向判断

在PLC主控中，解缆实际上也可以看做一种偏航操作，只不过在解缆过程是由特殊事件触发，并有其自有特点。判断解缆方向的控制逻辑如图2所示，其中虚线框内的控制目的是为了防止解缆死锁。当前的偏航位置大于600°或小于-600°时进行解缆动作。

当扭缆角度大于600°时，且风机处于正常运行模式，RS1的SET置位，执行解缆右偏航；机舱与风向的夹角小于27.0时（或者纽缆角度小于360.0），或者软件复位信号持续5s，则RS1的RESET置位，停止解缆右偏航。当扭缆角度小于-600°时，且风机处于正常运行模式，RS2的SET置位，执行解缆左偏航；机舱与风向的夹角小于27.0时（或者纽缆角度小于-360.0），或者软件复位信号持续5 s，则RS2的RESET置位，停止解缆左偏航。解缆左偏航和解缆右偏航的停止信号条件是相同的。

5 前景展望

本文采用PID的偏航策略设计了偏航系统的左/右偏航方向、偏航指令输出及解缆左/右偏航方向判断，考虑实际风向信号的特点，设置了多种可能的逻辑条件，对每一种情况下的逻辑图都做出了详细说明。目前，国内真正用于实际风场的控制方法还是传统PID控制方法，因为其静态稳定性好，可靠性高，响应快。但鉴于现代多种智能控制方法的快速发展和应用，如模糊控制、神经网络控制、专家控制方法等都很成熟，且有各自的优势，比如动态性能好、无残差等，所以多种智能方法相结合用于风电机组偏航控制系统将是未来发展的趋势。

参考文献

[1]高文元，马小英，崔鹏，王加伟，王现青.MW级风力发电机组的偏航系统控制策略[J].科学技术与工程，2010（02）.

[2]张嘉英，王文兰，蔡永刚.风力发电机组偏航控制系统[J].兵工自动化，2009（11）.

[3]高文元，马小英，王现青，王加伟.基于PSCAD的双馈风力发电机偏航控制的研究[J].甘肃科技，2010（02）.

[4]宋建军，张扬，张长安，杨丰.基于模糊控制的风力发电机组偏航系统研究[J].电网与清洁能源，2011（07）.

[5]朴海国，王志新.风电机组偏航Fuzzy-PID合成控制系统仿真[J].电工技术学报，2009（03）.

作者简介

姜攀（1982-），女，山东烟台人，北京铁路电气化学校，助讲。endprint

摘 要 偏航系统是风力发电机组特有的位置随动伺服系统，也称为对风装置。偏航系统的功能有两个：一是与控制系统相互配合，使机舱轴线能够快速平稳地对准风向，以便获得最大的风能；二是当风力发电机组由于偏航作用，当机舱至塔底引出电缆到达设定的扭缆角度后，自动解除缠绕。本文采用PID算法来实现机舱在最短时间内对风，以获得最大风能，提高工作效率。文章首先从偏航的风向信号、风速信号、停止信号的条件做了详细介绍，然后给出了偏航指令输出控制的条件，最后给出了解缆时需要满足的判断条件。

关键词 PID；偏航； 解缆

中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）15-0000-00

1 基于PID的偏航策略设计思想

风力机偏航的原理是通过风传感器检测风向、风速，并将检测到的风向信号送到微处理器（PLC），微处理器（PLC）计算出风向信号与机舱位置的夹角，并发出一定的信号给偏航驱动电机和齿轮箱，从而确定是否需要调整机舱方向以及朝哪个方向调整能尽快对准风向，尽可能的减少风能损失，增加有效工作时间。

偏航控制本身对响应速度和控制精度并没有严格的要求，但是在对风过程中风力发电机组是作为一个整体转动的，具有很大的转动惯量，因此，为了减小瞬时的大风对偏航系统的影响，从稳定性考虑，需要偏航系统的偏航方向、偏航角度、停止信号都严格明确，并且需要足够的阻尼。另外，偏航轴承的巨大齿轮环安装在机舱下部，齿轮环与偏航电机的齿轮相啮合，因此，为了保证偏航的平稳，一般采用2个或2个以上的偏航电机同时带动偏航轴承转动。对于偏航信号的判断主要分偏航方向判断、偏航指令输出控制判断、解缆方向判断三个方面详细说明。

2 偏航方向判断

偏航方向通常包括向左和向右偏航，其判断控制逻辑如图1所示。当偏航停止信号为TRUE时，偏航方向信号复位；当偏航停止信号为FALSE时，根据90秒和30秒内的平均风向来判断需要偏航的方向。90秒和30秒内的平均风向用来互相校验。

偏航停止信号为FALSE时，选择90 s内平均风向，作为输出；为TURE时，选择180.0作为输出。当90 s的平均风向小于160.0且持续时间大于30 s或者90 s的平均风向小于170.0且持续时间大于4.5 s时，RS1的SET置位，执行左偏航信号输出。同理，当90 s的平均风向大于180.0且持续时间大于4.5 s或者90 s的平均风向大于195.0且持续时间大于30 s时，RS2的SET置位，执行右偏航信号输出。当偏航信号停止时，左偏航和右偏航同时停止。在进行左偏航过程中，当90 s的平均风向大于172.0且持续时间大于4s或者有来自其他软件的偏航停止信号，RS1的RESET置位，停止左偏航。同理，在进行右偏航过程中，当90 s的平均风向小于180.0且持续时间大于4 s或者有来自其他软件的偏航停止信号，RS2的RESET置位，停止右偏航。

其中，偏航停止信号的控制逻辑判断为：当出现偏航机构故障、解缆操作激活、处于初始化模式、风向标故障、液压系统故障、参观按钮或维护模式按钮开、50 s内平均风速持续小于5 s，这些情况中的一种发生时，偏航停止信号为TRUE。

3 偏航指令

偏航指令输出控制包括偏航系统允许液压闸释放信号、左偏航指令输出和右偏航指令输出。首先控制液压闸释放，延迟一段时间后才进行偏航操作，当偏航操作完成后，偏航液压闸制动后停止偏航。同时，偏航指令的输出解缆和维护模式下的偏航操作。当存在偏航机构、安全系统解缆开关等故障时，则停止偏航操作。

当解缆左偏航为TURE时，或者左偏航信号为TURE时，或者维护模式左偏航信号为TURE时，且没有来自右偏航的任何信号，也没有来自故障系统的任何信号，且时间延迟10s，则执行左偏航动作；同理，当解缆右偏航、右偏航信号或维护模式右偏航信号其中一项为TURE时，且没有来自左偏航的任何信号，也没有来自故障系统的任何信号，且时间延迟10 s，则执行右偏航动作。这两种情况下，在延迟的10 s内执行打开偏航电机电磁刹车，降低偏航系统刹车压力。

4 解缆方向判断

在PLC主控中，解缆实际上也可以看做一种偏航操作，只不过在解缆过程是由特殊事件触发，并有其自有特点。判断解缆方向的控制逻辑如图2所示，其中虚线框内的控制目的是为了防止解缆死锁。当前的偏航位置大于600°或小于-600°时进行解缆动作。

当扭缆角度大于600°时，且风机处于正常运行模式，RS1的SET置位，执行解缆右偏航；机舱与风向的夹角小于27.0时（或者纽缆角度小于360.0），或者软件复位信号持续5s，则RS1的RESET置位，停止解缆右偏航。当扭缆角度小于-600°时，且风机处于正常运行模式，RS2的SET置位，执行解缆左偏航；机舱与风向的夹角小于27.0时（或者纽缆角度小于-360.0），或者软件复位信号持续5 s，则RS2的RESET置位，停止解缆左偏航。解缆左偏航和解缆右偏航的停止信号条件是相同的。

5 前景展望

本文采用PID的偏航策略设计了偏航系统的左/右偏航方向、偏航指令输出及解缆左/右偏航方向判断，考虑实际风向信号的特点，设置了多种可能的逻辑条件，对每一种情况下的逻辑图都做出了详细说明。目前，国内真正用于实际风场的控制方法还是传统PID控制方法，因为其静态稳定性好，可靠性高，响应快。但鉴于现代多种智能控制方法的快速发展和应用，如模糊控制、神经网络控制、专家控制方法等都很成熟，且有各自的优势，比如动态性能好、无残差等，所以多种智能方法相结合用于风电机组偏航控制系统将是未来发展的趋势。

参考文献

[1]高文元，马小英，崔鹏，王加伟，王现青.MW级风力发电机组的偏航系统控制策略[J].科学技术与工程，2010（02）.

[2]张嘉英，王文兰，蔡永刚.风力发电机组偏航控制系统[J].兵工自动化，2009（11）.

[3]高文元，马小英，王现青，王加伟.基于PSCAD的双馈风力发电机偏航控制的研究[J].甘肃科技，2010（02）.

[4]宋建军，张扬，张长安，杨丰.基于模糊控制的风力发电机组偏航系统研究[J].电网与清洁能源，2011（07）.

[5]朴海国，王志新.风电机组偏航Fuzzy-PID合成控制系统仿真[J].电工技术学报，2009（03）.

作者简介

姜攀（1982-），女，山东烟台人，北京铁路电气化学校，助讲。endprint