功率与载荷协同控制的风力发电机偏航控制策略的优化★

石 磊

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

偏航是指水平轴风力发电机组的机舱绕塔架旋转。风力发电机组的偏航系统一般分为主动偏航系统和被动偏航系统。被动偏航系统指的是依靠风力通过相关机构完成机组对风动作的偏航方式。主动偏航系统指采用电动或液压机构驱动偏航轴承来完成机组对风动作的偏航方式。大型风力发电机组通常采用电机驱动带齿的偏航轴承完成偏航动作。

使风轮跟踪风向的变化，使其始终处于迎风状态，提高风能利用率和风力发电机组的发电效率。但是过大的偏航误差会导致风力发电机的载荷急剧上升；采用过小的偏航误差会导致偏航系统频繁工作，降低寿命。

本文研究风力发电机组偏航误差与风力发电机组功率、风力发电机组偏航轴承极限载荷的关系，进而对风力发电机组偏航系统的控制策略进行优化。

1 偏航系统

大型风力发电机组偏航系统由偏航执行结构和偏航控制系统组成。偏航执行机构由偏航轴承、偏航电机、偏航减速机、偏航小齿轮、偏航齿圈、偏航制动器、偏航液压系统等组成。偏航控制系统主要包括偏航控制器、风向传感器、偏航编码器、扭缆传感器等[1]。

当风向信号传递到偏航系统的控制器中，偏航控制器对风向信号进行比较和判断，若满足偏航条件，则偏航控制器给偏航执行机构发出逆时针或顺时针动作的信号，偏航执行机构根据接收信号开始偏航动作；当风电机组准确对风时，偏航电机停止运行，偏航过程结束。偏航系统的工作原理如图1[2]所示。

图1 偏航系统原理图

2 关于偏航误差的仿真

本文用GH Bladed软件对2.5 MW风力发电机组进行功率和载荷仿真计算，该机组切入风速为3 m/s，切出风速为25 m/s，标准空气密度下的额定风速为9.5 m/s。为简化计算与分析，风模型采用稳态风模型。

2.1 偏航误差对发电量的影响

当偏航误差分别为 0°、8°、16°、24°、30°时，分别计算风力发电机组的功率曲线，计算结果如图2。由图2可以看出，偏航误差为8°时，相同风速下风力发电机的功率与偏航误差为0°时的风力发电机组功率相差不大，最大差值百分比不超过4%；当偏航误差为16°、24°、30°时，在额定风速以下，随着偏航误差的增大，相同风速时风力发电机组功率与偏航误差为0°时的风力发电机组功率偏差较大，且偏航误差越大，风力发电机组功率相差越大。

图2 各偏航误差下风力发电机的功率曲线

风速相同且风速小于额定风速，当偏航误差为16°时，风力发电机组的功率与偏航误差为0°时的风力发电机的功率相比，最大差值百分比为16.7%，当偏航误差为24°时，风力发电机组的功率与偏航误差为0°时的风力发电机的功率相比，最大差值百分比为36.4%，当偏航误差为30°时，风力发电机组的功率与偏航误差为0°时的风力发电机的功率相比，最大差值百分比为54.3%。

当风力发电机满发后，随着风速增大，风力发电机通过调整变桨角度使风力发电机风轮获得恒定扭矩，将发电机维持在额定功率。风力发电机达到额定功率后，偏航误差对风力发电机的功率没有影响。

通过分析偏航误差对风力发电机发电量的影响，在满发风速以下采用较小的偏航误差可以提高风力发电机的发电量；在满发风速以上采用较大的偏航误差，可以降低偏航系统的工作频率，延长偏航系统的使用寿命[2]。

2.2 偏航误差对偏航轴承载荷的影响

偏航轴承滚道的应力及寿命与极限载荷Fxy（x方向与y方向合成力）、Fz（z方向力）、Mxy（x，y方向合成力矩）有关。

当偏航误差分别为 0°、8°、16°、24°、30°时，分别计算风力发电机组在各风速下偏航轴承的极限载荷，计算结果如表1，由表中数据可知，当偏航误差变化时，偏航轴承极限载荷Fxy与Fz变化不大；而偏航轴承极限载荷Mxy随偏航误差的增大而增大。由此可知，增加偏航误差对Fxy与Fz影响不大。

表1 各偏航误差下风力发电机的偏航轴承极限载荷

不同偏航误差下，风力发电机偏航轴承极限载荷Mxy随风速的变化情况见图3。根据图3分析可知，在偏航误差为0°的情况下，风速为10.5 m/s时，偏航轴承极限载荷Mxy达到最大值，当风速超过10.5 m/s后，偏航轴承极限载荷Mxy随风速的增大而减小。但是在偏航误差不为0°的情况下，在风速超过满发风速后，偏航轴承极限载荷Mxy随风速的增大先减小，然后再增大直到风力发电机切出，所以偏航轴承极限载荷Mxy出现在切出风速。

通过上述分析可知，为了降低偏航轴承载荷，同时能够最大限度地减小偏航系统的工作频次，当风速小于21 m/s时，风力发电机的偏航误差设置为16°，当风速大于21 m/s时，风力发电机的偏航误差设置为8°。

图3 各偏航误差下偏航轴承极限载荷Mxy

2.3 偏航控制策略的优化与仿真

通过分析偏航误差对风力发电机组功率以及偏航轴承极限载荷的影响，对2.5 MW风力发电机组偏航系统控制策略进行优化，如表2。

表2 偏航系统控制策略

采用GH Bladed对风力发电机在优化前、优化后的控制策略下进行仿真，分别计算风力发电机的功率曲线和偏航轴承的载荷，功率曲线如图4，偏航轴承极限载荷见表3。

图4 优化前后风力发电机功率曲线

表3 风力发电机偏航轴承极限载荷

通过分析图4和表3可知，采用优化后的偏航控制策略，在不增加偏航轴承极限载荷的情况下可以提高风力发电机的功率。当年平均风速为6.5 m/s时，偏航控制策略优化前年发电量为8360.68 MWh，控制策略优化后年发电量为8749.61 MWh，通过优化偏航控制策略，年发电量可以提高4.7%。

5 结论

采用功率与载荷协同控制的偏航控制策略，偏航轴承的极限载荷得到了很好的控制，降低了偏航系统的工作频率，延长了偏航系统的使用寿命，提高了风力发电机组的发电量。