李春雨
华电山西能源有限公司新能源分公司 山西省 太原市 030006
摘 要：随着社会的快速发展和能源问题的日益突出，风力发电作为一种新型的环保能源受到了广泛的关注和大力提倡。风力发电控制系统是风力发电的重要环节和关键技术。将信息控制技术应用于系统是一个必然的趋势。本文分析了常见的风力发电控制系统，并详细讨论了信息控制技术在风力发电控制系统中的应用。
关键词：信息化控制技术；风力发电控制系统；运用
1.常见的风力发电控制系统
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发电控制系统 具有高效、简单、成本低廉等优势 用于小功率风力发电机 直驱式永磁发电系统的控制策略主要包括转矩反馈控制、最佳叶尖速比控制、扰动观察控制和功率反馈控制。
2.信息化控制技术在风力发电控制系统中的应用
2.1信息化控制技术在风力发电控制系统中的应用分类及原理
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2.2信息化控制技术在风力发电控制系统中的应用
以3MW风力发电机组的控制系统为基础，核心采用德国Beckhoff生产的嵌入式PC控制器组成整体的控制系统。主要内容依据模糊控制原理，主要设计是针对偏航系统的模糊控制自定义参数设计，实验采用MATLAB/simulink进行仿真，通过PLC实现F-PID控制，最后论证系统可行性。
2.2.1风机控制系统组成
风轮的组成包括桨叶、轮毂、风轮轴及变桨系统。桨叶是获取风能及进行能量转化的部件。轮毂主要是起固定作用的装置。风轮轴起到把风轮旋转产生的机械能传递到发电机当中的作用，是风机关键性结构之一。塔架用来支撑机舱和叶片，必须具有足够的静动强度来承载风轮转动所引起的震动载荷。
偏航系统主要由执行机构、控制器、传感器和偏航计数器等组成，主要包括主动和被动两种偏航方式。
图1 变桨距与定桨距输出功率的对比
变桨距功率调节机构主要由桨叶、导套、连杆、法兰、短转轴、长转轴、推动杆、支撑杆、同步盘、偏心盘、防转装置等部件组成。变桨系统针对不断变化的风速，通过调整叶片攻角来保持功率的恒定。同条件下两种功率调节方式对比见图1.1所示。
构成风机的两大块部分为风力机和发电机，在风力发电机组吸收风能并对其尽可能地转化阶段中，起关键作用的是风机的控制系统。如果把控制系统比作风机的大脑起到监控、预警等作用，那么PLC就是其中枢神经起着调节、指示作用。针对不断变化的风，PLC通过对偏航系统发出指令调节控制桨叶位置，保证风能利用效率的最大化。
2.2.2偏航控制系统设计
风力发电机组偏航控制系统工作过程：风传感器把采集到的风向角度传送至PLC控制器，控制器对其进行判断预处理，若需对风则输出命令驱动偏航电机旋转至与风向正对90°的位置，来达到快速对风的目的。
偏航控制器的大脑MX213模块应用在M1控制系统中，它是在PC技术的基础上进行开发的，内部含有铁电FRAM，具有掉电数据不丢失的特点，且能安全储存十年以上。能同时采集位于不同部位传感器的反馈数据，通过自身运算，输出命令到与之对应的执行机构来完成风机的实时对风。
针对大自然界中变化的风向，需采用偏航系统进行实时对风，因而可知偏航系统具有随时间变化及非线性的特点。若在偏航控制系统中，采用常规PID控制器，不仅建模复杂，而且系统的稳定性及鲁棒性远远达不到期望值。因此，本文在常规PID控制的基础上，引入模糊推理，设计出一套自整定参数的PID控制器。
2.2.3仿真实验
在Matlab/simulink中对设计好的偏航F—PID控制器进行仿真,并在模型中加入常规控制器,通过对比两种不同的控制策略来验证F—PID控制器效果。实际风向存在10°的偏差，因此在此仿真模型中用大小为10的阶跃信号模拟偏差。PID控制与F-PID 控制的偏航仿真模型见图2所示，偏航仿真输出响应图见图3所示。
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在PLC控制过程中，先通过量程转换相关指令，将e、ec值映射到基本论域中，即对精准量e、ec的等级量化。再通过赋值等指令，对量化处理的模糊化论域元素和PLC数据储存器中所存入的数组元素与之进行多次查找比对，称之为查询表被调用的过程[20]。再经过量化因子对其不断修正、整定之后，从而得到清晰的输出值。
将偏航角度偏差 e [-12°, 12°]的取值经过离散量化处理映射到区间[-6 , 6] 中。因为PLC编程中原本数据与负值混合使用容易出错，本文将模糊论域e加上偏移量6转化为正值，即[-6,6]与[0,12]相对应，以此类推。再利用PLC实现对程序的调用。
简化风机偏航自动控制执行顺序状态图，分解为五个简化的流程图：偏航控制总流程图、大风时执行90°侧风保护、扭缆圈数达到规定值3圈时自动解缆、机组正常工作状态下自动偏航、自动偏航或自动解缆系统出现故障下的人工偏航流程图。
风向标风速仪首先检测风向和风速，当测得风速过大时，控制器输出指令驱动偏航电机执行90°侧风保护，否则对偏航角度进行检测，当偏航角α>1080°或者α<-1080°时，需要进行自动解缆；若自动解缆失败，此时需人工干涉即启用人工偏航，否则使风机继续正常工作进行偏航对风处理。
当工作环境下的风速大于GW82-3000所设定的切出风速25m/s时，风电机组立即屏蔽自动偏航控制，并执行90°侧风保护。待侧风程序动作结束后，风机刹车并保持待机状态，此时风向标风速仪继续监测风向信号，由主控器判定继续旋转机舱保持侧风，还是解除刹车启动风机进行发电。
在风机对风过程中，电缆因机舱的偏航而扭转，为了防止电缆在扭转过程中因机舱偏转过多而折断，需设定三圈（1080°）为极限值，达到此极限值时必须执行解缆命令，同时覆盖自动偏航命令。当自动解缆、自动偏航发生故障或风机需要检修时，则执行最高级别的人工偏航。由人工输入指令控制机舱动作，并同时屏蔽自动解缆和自动偏航指令。
参考文献
[1]朱焕荣.信息化控制技术在风力发电控制系统中的运用[J]. 山东工业技术 ,2018(22):143.
[2]闫豪.信息化控制技术在风力发电控制系统中的运用[J].电子技术与软件工程,2018,57(03):140.
[3]郝雅楠.信息化控制技术在风力发电控制系统中的运用[J].时代农机，2016，43(09):25-26.