本文選自北大核心級(jí)期刊《中國機(jī)械工程》，《中國機(jī)械工程》雜志的前身是創(chuàng)刊于1979年的《湖北機(jī)械》，1983年更名為《機(jī)械工程》。經(jīng)原國家科委批準(zhǔn)，1990年主辦單位變更為中國機(jī)械工程 學(xué)會(huì)，同時(shí)成為中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)會(huì)刊，其主管單位為中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)。1992年更名為《中國機(jī)械工程》，1998年由雙月刊改為月刊，2002年改為半 月刊，自創(chuàng)刊以來，堅(jiān)持自己的辦刊方針特色，圓滿完成了報(bào)道計(jì)劃，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為行業(yè)科技創(chuàng)新和發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，在業(yè)內(nèi)形成重大影 響，深受讀者歡迎。

　　摘要：在典型偏航控制系統(tǒng)中，基于單片機(jī)語言設(shè)計(jì)的偏航控制器負(fù)責(zé)偏航控制系統(tǒng)的中運(yùn)算和控制，本文介紹雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中目前國內(nèi)應(yīng)用最多的基于PLC控制的偏航控制系統(tǒng)，研究其系統(tǒng)特點(diǎn)及計(jì)算原理和控制原理，并針對該系統(tǒng)選用的偏航控制器在實(shí)際運(yùn)用中調(diào)整角度困難及過零位檢測存在的軟件缺陷提出了新的角度調(diào)整方法和新的過零位檢測控制邏輯。

　　關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,偏航系統(tǒng),偏航控制系統(tǒng),優(yōu)化

　　0引言

　　在我國，兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)能的開發(fā)中得到了大規(guī)模發(fā)展和應(yīng)用。偏航控制系統(tǒng)作為兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的重要組成部分，用主動(dòng)對風(fēng)的控制功能實(shí)現(xiàn)著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對風(fēng)能捕獲的追蹤，使風(fēng)輪始終保持在迎風(fēng)狀態(tài)，從而高效地利用風(fēng)能，風(fēng)能的高效利用也進(jìn)一步降低了風(fēng)力發(fā)電的成本。本文深入研究風(fēng)電行業(yè)中主流的、應(yīng)用于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)中基于PLC控制的偏航控制系統(tǒng)（注：偏航控制系統(tǒng)為偏航系統(tǒng)的電控部分，偏航系統(tǒng)的組成為：偏航控制系統(tǒng)+偏航制動(dòng)系統(tǒng)，其中偏航制動(dòng)系統(tǒng)在風(fēng)電行業(yè)中只有兩種制動(dòng)方式：摩擦式制動(dòng)和液壓式制動(dòng)，本文研究的是偏航控制系統(tǒng)的改進(jìn)優(yōu)化），研究其偏航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、硬件計(jì)算原理和軟件控制策略，旨在針對在實(shí)際運(yùn)用存在的缺陷提出優(yōu)化改進(jìn)方案。

　　1關(guān)于偏航系統(tǒng)的控制原理

　　風(fēng)電行業(yè)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從典型的偏航控制系統(tǒng)（單片機(jī)控制）向基于PLC控制的偏航系統(tǒng)的演變。

　　1.1典型的偏航控制系統(tǒng)（單片機(jī)控制）

　　圖1典型的偏航控制系統(tǒng)

　　典型的兆瓦級(jí)偏航控制系統(tǒng)如圖1所示，采用單片機(jī)控制的獨(dú)立偏航控制器，工作原理為：氣象傳感器采集風(fēng)向信號(hào)傳遞到偏航電機(jī)控制回路的處理器中，比較計(jì)算出偏航方向和偏航角度，并執(zhí)行偏航達(dá)到對風(fēng)目的，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的追風(fēng)功能。當(dāng)對風(fēng)執(zhí)行完成后，風(fēng)向傳感器失去電信號(hào)，偏航驅(qū)動(dòng)停止工作，則偏航過程結(jié)束。

　　1.2基于PLC控制的偏航系統(tǒng)

　　圖2基于PLC控制的偏航控制系統(tǒng)

　　如圖2所示為基于PLC控制的偏航控制系統(tǒng)，與典型的偏航控制系統(tǒng)不同的是此系統(tǒng)的偏航控制器是一個(gè)集成編碼器的角度限位開關(guān)，它的作用的是用于機(jī)艙位置的測量和解纜控制，基于PLC控制的偏航控制系統(tǒng)的工作原理為：風(fēng)速風(fēng)向儀采集風(fēng)向信號(hào)，偏航控制器檢測機(jī)艙位置，PLC計(jì)算風(fēng)向與機(jī)艙位置的偏差，判斷后決定偏航方向和偏航角度，最終達(dá)到對風(fēng)目的。

　　偏航控制系統(tǒng)的演變使得后者（基于PLC控制）的偏航控制系統(tǒng)作為其主控系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，迎風(fēng)控制更為精準(zhǔn)，且后者的偏航控制器僅僅用于機(jī)艙位置的測量和解纜控制，同時(shí)在故障風(fēng)險(xiǎn)上降低了集成于主控控制帶來的不穩(wěn)定度，客觀上提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體可靠性，成為如今風(fēng)電行業(yè)中偏航控制的主流應(yīng)用。

　　2偏航控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分析

　　圖3基于PLC控制的偏航控制系統(tǒng)硬件設(shè)備

　　主流的、應(yīng)用于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)中基于PLC控制的偏航控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，其硬件組成為：高可靠性工控PLC，風(fēng)速風(fēng)向儀（超聲波或機(jī)械式），用于機(jī)艙位置測量和解纜控制偏航控制器，變頻器和偏航電機(jī)（注：剎車制動(dòng)器為制動(dòng)系統(tǒng)，除外）。

　　2.1測風(fēng)系統(tǒng)（風(fēng)速風(fēng)向儀）

　　主流偏航控制系統(tǒng)中一般采用雙風(fēng)速風(fēng)向儀的冗余控制設(shè)計(jì)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的尾翼左右側(cè)分別安裝一個(gè)風(fēng)速風(fēng)向儀（超聲波或機(jī)械式），雙風(fēng)速風(fēng)向儀設(shè)計(jì)在風(fēng)速風(fēng)向測量上互為冗余，互為校訂，測量結(jié)果更為準(zhǔn)確，可靠性更高，此外，互為備用，即當(dāng)其中一個(gè)風(fēng)速風(fēng)向儀出現(xiàn)故障時(shí)，PLC可選擇進(jìn)入一個(gè)風(fēng)速風(fēng)向儀模式。

　　2.2偏航角度限位開關(guān)

　　偏航控制系統(tǒng)硬件設(shè)備中，用于機(jī)艙位置測量和解纜控制的是偏航控制器，其中用于測量機(jī)艙位置的編碼器為增量式編碼器，由于增量式編碼器無法掉電保存的特點(diǎn)，所以機(jī)艙位置的記錄需要采用單獨(dú)的寄存器進(jìn)行保存。偏航控制器的解纜控制采用凸輪控制，由于凸輪與偏航齒圈存在轉(zhuǎn)速比，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在進(jìn)行解纜控制時(shí)存在凸輪角度設(shè)定的計(jì)算。

　　偏航控制器中，偏航角度的限位開關(guān)由一個(gè)凸輪和一個(gè)開關(guān)組成，如圖4，通過計(jì)算出凸輪的設(shè)定角度，實(shí)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)到極限角度時(shí)，凸輪觸發(fā)開關(guān)，斷開電信號(hào)，PLC檢測到失去電信號(hào)，進(jìn)行偏航自動(dòng)解纜。

　　圖4偏航角度限位開關(guān)的基本原理

　　偏航控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的對風(fēng)功能，同時(shí)也維護(hù)者偏航過程中的安全保護(hù)（其中扭纜出發(fā)纖維開關(guān)為最高安全鏈斷開保護(hù)的環(huán)節(jié)之一）。因此，偏航控制器選用了四組凸輪開關(guān)組合，分別用于左極限報(bào)警、右極限報(bào)警、極限報(bào)警失效保護(hù)及過零標(biāo)志位4個(gè)重要信號(hào)的硬件保護(hù)環(huán)節(jié)。

　　2.2.1偏航角度限位開關(guān)角度計(jì)算

　　偏航控制過程中，關(guān)于偏航凸輪角度的計(jì)算（結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中偏航齒圈的傳動(dòng)）：

　　圖5偏航系統(tǒng)齒輪傳動(dòng)原理

　　如圖5為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中偏航系統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)，偏航控制器通過自身的嚙合齒圈（如圖中標(biāo)出）嚙合在偏航齒圈上，其內(nèi)部的齒輪傳動(dòng)將轉(zhuǎn)速傳遞到凸輪，則偏航凸輪角度與偏航齒圈的角度關(guān)系為:

　　公式1凸輪角度與偏航角度的計(jì)算關(guān)系

　　以上，偏航控制器中，凸輪式角度限位開關(guān)通過其凸輪角度匹配著偏航角度實(shí)現(xiàn)著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的解纜保護(hù)。

　　所有偏航控制器式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，皆可根據(jù)公式1及該款風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航部件參數(shù)，實(shí)現(xiàn)其該偏航系統(tǒng)的極限告警角度下限位開關(guān)凸輪的安全保護(hù)。

　　如某風(fēng)場中某公司2MW的WT2000風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，用于北方型的扭纜保護(hù)參數(shù)如下：

　　電纜極限扭曲角度：900°

　　推薦保護(hù)極限720°

　　某WT2000型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航傳動(dòng)中相關(guān)參數(shù)為：

　　偏航齒圈：164

　　偏航控制器齒圈：10

　　二者之間傳動(dòng)比為：1:16.4

　　其風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的偏航控制器中，偏航角度限位開關(guān)齒圈與旋轉(zhuǎn)凸輪的傳動(dòng)比為：1:92

　　以推薦保護(hù)極限720°計(jì)算，可算出左右報(bào)警極限凸輪的最小設(shè)定角度為：

　　則以此計(jì)算角度可進(jìn)行左右報(bào)警極限凸輪角度的設(shè)定。如下圖6所示，只要保證凸輪位置到觸點(diǎn)大于128.34°就可以保證在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙位置位于720°時(shí)觸發(fā)極限報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)解纜功能。

　　圖6左右極限凸輪調(diào)節(jié)示意圖

　　同樣，極限報(bào)警失效保護(hù)開關(guān)的也采用相同的方法計(jì)算后設(shè)定。

　　2.2.2偏航角度限位開關(guān)角度的零位校定

　　偏航控制器中偏航角度限位開關(guān)的另一個(gè)特點(diǎn)是過零標(biāo)志位凸輪。它是機(jī)艙位置零位硬件的標(biāo)志位，由于機(jī)艙位置的檢測采用增量式編碼器，因此軟件在計(jì)算過程中會(huì)出現(xiàn)累積誤差，為了消除累積誤差，每當(dāng)過零標(biāo)志位凸輪所對應(yīng)的開關(guān)輸出變化的電信號(hào)時(shí)，主控軟件可對偏航計(jì)數(shù)器進(jìn)行一次清零，重新將機(jī)艙的位置設(shè)定為0°。

　　圖7過零位標(biāo)志凸輪

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航的過程中，如圖7所示，過零標(biāo)志位凸輪的弧度為180°，以開關(guān)的觸點(diǎn)為分界，PLC以此分界來判斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙位置的左右方向，通常將凸輪觸發(fā)，失去電信號(hào)的時(shí)區(qū)指示機(jī)艙位置位于左邊，反之當(dāng)凸輪松復(fù)位，恢復(fù)電信號(hào)的時(shí)區(qū)只是機(jī)艙位置位于右邊。

　　3偏航系統(tǒng)的控制流程和控制策略分析

　　3.1偏航系統(tǒng)控制主流程

　　基于PLC控制的偏航控制系統(tǒng)，擴(kuò)展性高，作為主控系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，便于控制和判斷，減少軟件復(fù)雜程度。

　　圖8偏航控制系統(tǒng)主流程圖

　　圖8為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航控制系統(tǒng)主流程圖，分為服務(wù)模式和自動(dòng)模式（匹配于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)控制和手動(dòng)控制），服務(wù)模式用于人工工作偏航，自動(dòng)偏航實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的自主主動(dòng)對風(fēng)。自動(dòng)模式下，偏航控制器提供機(jī)艙位置電信號(hào)和解纜信號(hào)給PLC，由PLC進(jìn)行判斷和決定是否需要進(jìn)行自

　　動(dòng)偏航。

　　3.2偏航控制系統(tǒng)方向信號(hào)采集及位置計(jì)算

　　圖9風(fēng)向補(bǔ)償

　　如圖9中，可將風(fēng)速風(fēng)向儀采集的風(fēng)向信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和風(fēng)速補(bǔ)償，采用了雙風(fēng)速風(fēng)向儀的冗余設(shè)計(jì)，其策略是將兩個(gè)風(fēng)速風(fēng)向儀數(shù)據(jù)先進(jìn)行均值函數(shù)計(jì)算，如圖10。

　　圖10雙風(fēng)速風(fēng)向儀平均風(fēng)向求法

　　其后，PLC將經(jīng)過處理后的風(fēng)向信號(hào)與PLC從偏航控制器獲得的機(jī)艙角度，進(jìn)行機(jī)艙偏航需求位置計(jì)算，計(jì)算出偏航系統(tǒng)啟動(dòng)偏航后的目標(biāo)位置標(biāo)志位。通過目標(biāo)標(biāo)志位置值與風(fēng)向的角度比較計(jì)算出機(jī)艙位置偏差，由此來作為自動(dòng)偏航的啟動(dòng)控制基礎(chǔ)，其控制流程如圖11（偏航系統(tǒng)不直接以風(fēng)向與機(jī)艙位置偏差直接作為偏航參考值，是基于實(shí)際風(fēng)況中風(fēng)向不穩(wěn)定的因素）。

　　圖11機(jī)艙位置信號(hào)處理

　　3.1偏航控制系統(tǒng)的自動(dòng)對風(fēng)

　　自動(dòng)模式下，PLC根據(jù)計(jì)算出機(jī)艙位置偏差，進(jìn)行滿足自動(dòng)偏航條件的判斷后進(jìn)入到自動(dòng)偏航狀態(tài)。控制過程為：1）PLC完成偏航方向判斷后啟動(dòng)偏航；2）偏航過程中，PLC根據(jù)機(jī)艙位置需求計(jì)算完成偏航所需時(shí)間，同時(shí)通過偏航控制器編碼器、過零位標(biāo)志凸輪檢查機(jī)艙選擇方向是否正確及位置是否超限，直致完成對風(fēng)；3）退出偏航模式。自動(dòng)偏航控制流程如下圖12。

　　圖12自動(dòng)偏航流程

　　3.1偏航控制系統(tǒng)的扭纜保護(hù)

　　當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙偏航超限時(shí)，偏航控制器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)返回以保護(hù)電纜不被過扭至損壞。偏航解纜控制的過程分為：左偏航解纜、右偏航解纜和報(bào)警失效保護(hù)。報(bào)警失效保護(hù)是指在自動(dòng)解纜過程中偏航控制器檢測到相應(yīng)極限報(bào)警電信號(hào)失去時(shí)，偏航控制器首先屏蔽自動(dòng)偏航，并將風(fēng)向信息封鎖，然后進(jìn)行反方向解纜，此過程中，偏航控制器檢測過零標(biāo)志位凸輪，通過檢測零標(biāo)志位電信號(hào)產(chǎn)生的變化來確認(rèn)機(jī)艙回到順纜位置而完成自動(dòng)解纜。

　　圖13為偏航解纜的控制流程圖。

　　圖13偏航解纜控制流程

　　此外，當(dāng)失去極限報(bào)警失效保護(hù)開關(guān)的電信號(hào)，偏航控制器將默認(rèn)為故障并反饋信號(hào)至風(fēng)電發(fā)電機(jī)組主控PLC，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將停機(jī)。

　　4偏航控制系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化

　　由以上分析，此偏航控制系統(tǒng)在硬件上和軟件存在一定缺陷。

　　4.1硬件缺陷分析及改進(jìn)

　　1）此偏航系統(tǒng)的偏航控制器用于解纜控制（左右極限凸輪）的角度限位開關(guān)采用凸輪設(shè)計(jì)，且凸輪需要進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)整至合理位置，角度調(diào)小，會(huì)造成偏航系統(tǒng)小角度解纜，解纜頻繁，角度調(diào)大，則失去了解纜保護(hù)的功能；

　　2）傳統(tǒng)的調(diào)整設(shè)定方法在偏航控制器安裝之前，通過旋轉(zhuǎn)偏航控制器的齒圈，使之帶動(dòng)凸輪，旋轉(zhuǎn)一定圈數(shù)后，使凸輪達(dá)到調(diào)整位置，這種方法因?yàn)樾�轉(zhuǎn)圈數(shù)多，速度慢；

　　3）如若將此凸輪的調(diào)整采用經(jīng)驗(yàn)調(diào)整法，即通過原理圖，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，這種方法調(diào)整雖然快，但不精準(zhǔn)。實(shí)際應(yīng)用中，張北某風(fēng)場采用經(jīng)驗(yàn)調(diào)整法，現(xiàn)場出現(xiàn)20余臺(tái)該機(jī)型風(fēng)機(jī)因?yàn)槠�航控制器凸輪角度調(diào)整過小，造成風(fēng)機(jī)400°左右就進(jìn)入自動(dòng)解纜。一次解纜時(shí)間為15-20分鐘，長時(shí)期如此，減少了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可利用率和發(fā)電時(shí)間。

　　針對此現(xiàn)象，本文通過研究其偏航控制器的工作原理和計(jì)算原理，提出一種新的簡單有效地對半調(diào)整法。

　　圖14偏航凸輪對半調(diào)整方法

　　原理如圖14，開關(guān)的位置固定不變，偏航控制器的凸輪的弧度為60°，以此開關(guān)為界線，將凸輪旋轉(zhuǎn)至開關(guān)對面，平均分割，再經(jīng)過利用凸輪對半兩次調(diào)整，使凸輪位置到達(dá)135°，反向求證135°所對應(yīng)的機(jī)艙位置：

　　經(jīng)過計(jì)算，如此調(diào)整解纜控制凸輪快速精確，既能保證最大限度的利用電纜的扭曲度，減少風(fēng)機(jī)的解纜頻率，調(diào)整方式簡單高效。

　　本風(fēng)機(jī)在采用此調(diào)整方法后，在調(diào)整速度與準(zhǔn)確度上都得到了大幅度提高。同樣，所有主流的、采用偏航控制器式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可通過此計(jì)算方法進(jìn)行偏航控制系統(tǒng)的設(shè)定調(diào)整。

　　4.2軟件缺陷分析及優(yōu)化

　　圖15零位設(shè)置流程圖

　　如前面所述，偏航系統(tǒng)中為了彌補(bǔ)增量式編碼器累加的計(jì)數(shù)誤差，軟件中設(shè)計(jì)了觸發(fā)偏航控制器的過零位標(biāo)志凸輪來重新校對機(jī)艙位置的方法，如圖15，但此設(shè)計(jì)是存在缺陷：

　　PLC檢測的是開關(guān)信號(hào)（即在運(yùn)行過程中，偏航系統(tǒng)實(shí)際沒有啟動(dòng)），但由于接線松動(dòng)、線路短路、掉電等原因造成該反饋回路電信號(hào)丟失，而如果在故障發(fā)生前，PLC檢測到該回路有電信號(hào)（凸輪松開觸點(diǎn)，產(chǎn)生電信號(hào)這個(gè)區(qū)間認(rèn)為風(fēng)機(jī)機(jī)艙位置處于右邊），當(dāng)故障出現(xiàn)后，PLC將會(huì)將機(jī)艙位置重新設(shè)置為0°，造成了正確機(jī)艙位置的丟失。

　　針對此現(xiàn)象，本文提出改進(jìn)此控制邏輯，增加對該回路的反饋供電線路的反饋，并增加判斷條件。如圖16，通過增加對該回路供電線路的檢測，只有供電回路反饋始終有電信號(hào)的情況下，PLC才會(huì)對零位進(jìn)行重新設(shè)定。

　　圖16優(yōu)化零位設(shè)置后的流程圖

　　5結(jié)論

　　基于PLC控制、采用偏航控制器的偏航控制系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)量有數(shù)千臺(tái)。研究其偏航系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、計(jì)算原理，軟件控制，對于同樣采用此偏航控制系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，改進(jìn)其性能提高其對風(fēng)能的利用，以及對整個(gè)風(fēng)場工程風(fēng)能利用率提高的工程價(jià)值，有著很大的意義。此外，對于偏航系統(tǒng)的自主設(shè)計(jì)有具有借鑒意義（目前，我國的主控系統(tǒng)（包括偏航）多為國外設(shè)計(jì)）。

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