摘要：风能作为清洁能源，具有较大发展前景，尤其是在风能发电方面。而如何提升风能利用率，增强风力发电机发电效益，控制发电成本，成为各国研究学者思考重点。在风力发电时，偏航系统的控制水平直接影响着其的经济效益，因此，各国纷纷投入风力发电机偏航系统的研究中，并取得了显著成效。文章对风力发电机偏航系统简单概述，探讨了偏航系统工作原理，并对偏航系统的控制提出几点策略，以期增强风力发电机发电效益，提高偏航系统的利用率，延长偏航系统的使用时间，实现效益最大化。
关键词：风力发电机；偏航系统；控制
前言：风能作为自然能源，其内蕴含大量蕴藏量，具有再生、绿色无污染、分布广泛等优势，在世界范围内，风能的利用被广泛重视。在风能利用中，对风力发电机依赖性较高，而发电机通过对风向追踪，将风能转变为电能，以供使用[1]。在这一过程中，偏航系统的控制直接关系着发电机是否能迅速准确对风，影响着发电机对风的利用率，并且，作为发电机内不可缺少的部件，一旦偏航系统出现问题，风力发电机组极易停机。对此，加强偏航系统的控制，对风能的高效利用具有重要意义。
1?风力发电机偏航系统概述及其工作原理
1.1?风力发电机偏航系统概述
风力机组。在风里发电机内，风力机组直接将风力转化，变为机械能，通过机械能对转子的作用力，带动转子快速旋转，最终转变为电能。电能转换时，风能经过两次转化，即由风能转变为机械能，后由机械能转化为电能。偏航系统构造。在大型水平轴风力发电机上，偏航系统主要包含偏航轴承、计数器、驱动装置等部件。偏航系统功能。偏航控制系统作为对风装置，包括如下功能：与风力机组配合，对系统进行控制，当风速矢量方向变化，偏航控制系统直接控制风轮，快速平稳的对准风向，实现了风能最大化利用[2]。
偏航系统主要功能有：与风电机组控制系统有效配合，控制风电机组的机舱，使其旋转对风，充分利用风力，增强电机组发电效率；风险相对稳定时，偏航系统能够为其提供保持力矩，使风能能够保持对风捕捉，保证风电机组安全运行；因风电机组可能向一个方向持续偏航，为保障机组悬垂部分电缆因过度扭绞断裂，偏航系统能够在电缆到达规定缠绕值，自动反方向旋转，解除缠绕。
1.2?风力发电机偏航系统的工作原理
偏航系统作为对风装置，主要由控制器、风力机、偏航机构、放大器、计数器、检测元件等构成，通常分为主动与被动两种偏航系统，其中，被动偏航系统主要借用风力，以相关机构实现机组对风，多用在小型风机上。主动偏航多用于大型风机。偏航系统原理图如图1所示。当感应元件感受到风向变化，会采用电信号将感应信息传输至偏航系统的控制器内，控制器通过分析信息，命令偏航电机运动，机舱对风，电机停止，偏航制动器自动锁紧，整个偏航控制过程结束[3]。
图1 偏航系统原理图
而在2.5-141系列风力发电机组-偏航系统开发项目之时，所用的偏航系统对主动控制要求较高，具有如下特征。其一，正常运行时，偏航系统能够自动对风。在传感器感应到风向变化后，将感应信息传递到偏航电机的控制处理器，由处理器处理信息并根据风向决定偏航角度与方向，最终对风。之后，感应器不再传递信号，电机工作停止。其二，自动解缆。在电缆缠绕达到所制定的标准时，发电机停机，在偏航电机的驱动下，机舱反方向扭转，自动解缆。
2?风力发电机偏航系统控制策略
风能拥有独特优势，如：分布广、储量大、用之不尽、清洁无污染。但是，在风能应用中，却也存在一定劣势，如：间歇性、随机性、反调峰、塔影效应等。对此，在风能应用中，对偏航系统控制要求较高。文章提出几点偏航系统控制策略。
2.1?基于风速分布的模糊偏航重启策略
模糊控制系统在结构上，和普通控制系统一直，区别在于，前者利用模糊控制实现系统运转。通常，模糊控制针对的是人经验，通过一定逻辑推理实施总结，保障模糊处理的模型化、预演化与规则化，后变为另一形式。在偏航系统控制中，根据风速分布，落实模糊偏航重启，能够有效控制偏航系统。在该策略实施中，首先，应选择适宜的模糊控制器。不同维数下，模糊控制器的类型多样，而维数差异下，性能相应不同。通常，一维主要是直观控制，保障输入、输出相互对应[4]。二维本身性能良好，能够在动态控制中广泛应用。多维更加优秀，在实际应用中，却需要结合多种因素，与控制规则配合。因此，选择二维模糊最佳。其次，应对精确量做好模糊化工作。模糊化本身就是将精确转变 为模糊的过程，在模糊控制器确定输入量之后，转化为模糊语言，精确值转变为变量值，后实现了模糊集合。在本项目中，模糊控制器将输入、输出量涵盖其中，风速分布为输入，不同风速区间的偏航角度阈值为输出。因输入与输出为清晰量，应对其进行模糊化处理，最终应用于模糊控制器。再次，语言值的隶属度函数应确定。该步骤非常关键，应加以重视。通常，在选择连续隶属度函数时，多数模糊控制器能够保障语言值描述的精准度，满足了模糊控制器的性能需求。之后，构建模糊规则，保障规则的合理与科学，以此保证模糊控制器设计与性能。最后，做好反模糊化工作。模糊值并不能控制被控对象，在执行机构转换之后，方可执行精确值。在该环节中，应用质心法，做好模糊化处理，能够满足需求。另外，还应选择适宜的模糊控制器，因不同结构的输入、输出量确定存在差异，通常以二维结构为主。
2.2?基于模糊控制的偏航系统控制策略
对偏航系统进行模糊控制，需要对输入的精确信息模糊处理，制定模糊控制制度与规则，包含了模糊控制器、规则库、状态表、控制查询表等的构建。除单一模糊控制外，结合模糊控制、传统PID控制，也是偏航系统控制时的常用策略，综合PID控制、模糊控制的优势，弥补两者的不足，偏航系统追风性能得到完善，实现了对偏航系统的良好控制。两者结合常见控制法有：PID-Fuzzy分段复合、Fuzzy-PID合成控制等。其中，前者主要是对模糊控制、PID控制进行分段切分，以此控制偏航系统工作。具体来讲，在偏航系统运行中，会对风速变化方向预判，若检测反馈值和系统给定值存在偏差且大于阈值，采用模糊控制，保障偏航系统动态性能，降低超调现象。若偏差低于阈值，以PID控制，减小系统的稳态误差。模糊控制的应用，能够降低偏航系统的超调、振荡，对系统变化快速响应，相比于传统PID控制器，结合两种控制器，落实分段控制，能够更好追踪风速风向，提高系统性能。后者包含两部分，分别是常规PID、模糊控制器，核心为组模糊规则，通过模糊关系、模糊推理等运算，计算得出控制量。两者相比，Fuzzy-PID在控制偏航系统中，更具优越性，偏航系统稳定性、鲁棒性等增强。
2.3?基于爬山算法的偏航系统控制策略
盘山算法，主要通过递归调用逐步升高发电机组输出功率，使功率趋于最大输出量，以此检测发电机输出功率。该种算法为人们提供了框架，一般人们分析、描述并解决离散优化现象，是一种启发式算法，通过局部择优改进深度优选搜索，通过收敛结果、其他算法比对等评估算法性能。可以说，由当前节点开始，盘山算法通过和邻居节点进行比较，若节点最大，返回当前节点，作为最大值，反之，将最大邻居节点和当前节点替换，达到最高点这一目标。在风力发电机组中，偏航系统控制选择盘山算法，主要利用控制功率，以递归调用方式不断提升输出功率，使其逐渐接近输出最大功率。为达到该期望值，需要工作人员在合适时间段连续测量发电机的输出电流、输出电压，计算得出发电机的输出功率，将当时的测量计算功率值与上时刻得出的功率值比较，选择最大功率值，以此不断比较判断，最终得出最大功率[5]。通常，偏航电机旋转方向大都取决于前后功率的比较值，功率表变大，电机正向旋转；功率变小，电机反向旋转。
2.4?基于VHC算法的偏航系统控制策略
在风力发电机运行中，VHC算法在偏航控制系统中的应用，能够通过搜索偏航阶段风机最大输出功率，在功率监测误差范围增强发电机风轮的对风精确度。其中，VC控制算法适合大范围风向变化中应用，不需要判断风险，即可直接得出风变化趋势，具有鲁棒性。不过，该种算法在判断风向时，若在±15°内，算法判断失效，需要继续控制偏航系统。因此，若风险变化值超出15°，应再次进行VC控制。当风向变化的绝对值超出设定偏航的起始值却低于15°，控制器可依照功率变化控制，若功率变化低于功率差值，偏航系统不需要动作，若大于功率差值，偏航系统应逆转5°，此时，若风向变化的绝对值低于15°，继续上述操作。可以说，功率变化低，表示偏航系统运动方向正确，继续在原有方向进行偏航控制，直到功率变化值低于功率差值，若功率变化增大，偏航系统 应顺时针运行5°，功率变化若继续增大，表示风速变化，引发功率变化，偏航电机停止旋转，也可在原有方向继续操作，至功率变化低于功率差值停止。如此，有效控制偏航系数，保障风能的高效运行。
2.5?基于KHC算法的偏航系统控制策略
当风向在小范围变化，功率检测可在一定程度上精确对风，但是，若风向变化范围较小，或者外部干扰，功率检测法应用，会导致偏航系统动作频繁，增大偏航系统部件磨损，偏航系统可靠性降低、使用寿命下降、综合效益下降[6]。因此，以爬山法作为核心，采用KHC算法，落实卡尔曼滤波算法，实现对偏航系统的精确控制。
卡尔曼滤波的工作原理如下：利用短时采样得到风速参数，其中包含有对应角度、[v(n),v(n+k)],以此得出风摇摆范围：θs(n+k)=2arcsin[(vmax-vmin)/(vmax+vmin)]。之后穿着动态阻尼系数预测调节，(n+k)=Kln[(θ(n+k)-θav(n+k))/200+1]，得出预测结果。
其中，(n+k)为动态阻尼系数，θav(n+k)代表[n,n+1,…n+k]时间段的样本均值，k代表修正比例系数。
如此，KHC算法能够短时间利用风向在范围内的连续变化，保障偏航系统控制的准确性，增强偏航系统的可靠、稳定与准确对风。
2.6?基于PIDNN的偏航系统控制策略
实际上，PIDNN算法是以CPSO算法为基础，对CRPSO算法的改进。CRPSO算法内含有众多子群，通过随机法在全部子群选择单一子群最优位置，更新粒子速度、位置。CPSO作为CRPSO、PSO两种算法的综合，具备两者的优势，不仅可采用其他子群的最优位置，子群自身最优位置也得到保留，保障粒子多样性的同时，增强了算法收敛速度。在粒子进化中，CPSO考虑信息较多，实现了系统全局搜索、局部搜索键的平衡，容易得出全局最优值，提高偏航系统鲁棒性。PIDNN控制策略下，偏航电机、矢量控制、三相逆变附加电路被作为一个整体控制对象，对其加以控制。控制系统包含了PIDNN控制器、辨识器、积分控制器等，其中，辨识器主要用来辨识NARMA的参数辨识，提升偏航控制系统的精确度与鲁棒性。
2.7 风力发电机偏航系统自动化控制
在风力发电机运行中，为保障偏航系统使用寿命，应在偏航摩擦片安装监测传感器，随时监测摩擦片的磨损量，当磨损距离超出12mm，子系统自动在显示屏给出“摩擦片磨损、传感器故障”等提示，当磨损超出13mm，应在1月后停止发电机运行，更换摩擦片，保障偏航系统的效用。同时，构建自动对风系统，高低风速对风偏差角、对风偏差对应的高低风速阈值、开始偏航延时、关闭电机抱闸延时等参数应科学设置，在该模式下，机舱和风向2分钟平均偏差角大于对风偏差，风机开始自动对风，以得到最大的风能量。同时，还要重视解缆模式设置，科学制定平均功率小于400kW对应扭缆角度阈值、小风禁止偏航所对应扭缆角度阈值、解缆停止10min的平均风速上下限等参数，当满足如下条件：扭缆角度达504°、扭转角度低于432°，10min平均功率低于400kW等，风机解缆，全面保障电缆线的质量。
3?结束语
总而言之，在风力发电机运行中，偏航系统作为关键构件，其的控制有效性，直接影响着发电系统整体效益。而多样化对风控制措施的应用，偏航系统追风性能显著提升。并且，控制算法、控制措施等的落实，偏航系统追风性能越加完善，风电系统发电量、发电效率明显提升，调向组件寿命延长。对此，根据实际需求，选择适宜的控制措施，发挥偏航系统控制效果，有助于提升风力利用最大化，增强风力发电效益，推动风力发电的广泛应用，为替代不可再生能源奠定基础。
参考文献：
[1]曹弘,孙建平.风力发电机偏航系统控制策略研究[J].电力设备管理,2019(02):81-83.
[2]董召召. 风力发电机偏航系统控制策略研究[D].南华大学,2018.
[3]成立峰. 风力发电机组偏航系统误差与控制策略研究[D].华北电力大学(北京),2017.
[4]陈思, 郭鹏. 基于综合经济效益目标的风电机组偏航控制策略研究[J]. 动力工程学报, 2019, 39(4):286-292.
[5]焦鑫, 陈为国, 张宇,等. 风力发电机自适应偏航控制策略研究[J]. 自动化技术与应用, 2019, 38(03):11-15.
[6]信晶, 袁凌, 潘磊,等. 论风力发电机组偏航系统的设计要点[J]. 机械制造, 2018, 056(005):29-32.
作者简介：袁博文：1991.04.26，男，汉族，江苏省启东市人，江苏科技大学，本科学历，机械电子工程专业，从事机械设计领域，工作七年，参与研发多款风力发电设计工作。