风力机偏航控制系统的仿真研究.docx

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兰州城市学院本科毕业论文（设计）

本科毕业论文（设计）

论文题目：

风力机偏航控制系统的仿真研究

摘要

作为风力发电机组重要的组成部分，偏航系统有着不可或缺的作用。

它不仅控制风轮始终处于迎风方向，还能提高风能的利用率和发电效率。

因此一个稳定可靠高效的偏航控制系统便不可或缺，其控制算法的选用和优化将直接直接影响风力发电机运行的高效和可靠性。

首先本文简述了风力发电的研究背景以及我国风力发电的研究现状，对于风力发电发展进行浅析。

其次，阐述了风力发电系统中偏航系统的介绍，对偏航装置的分类、偏航控制系统的组成、工作原理以及控制过程进行了介绍和说明。

然后对风力发电偏航控制系统设计，分析了偏航控制系统的硬件组成和电路设计，并对偏航系统控制算法进行设计，最后对偏航控制系统进行了仿真研究，并分析仿真结果。

为今后在风力机偏航控制系统硬件和软件设计研究方面，提供了参考和建设性意见。

关键词：

风力发电机；偏航控制系统；PID模糊控制；Simulink仿真

论文类型：

工程设计

I

风力机偏航控制系统的仿真研究

Abstract

Asanimportantpartofwindturbine,yawsystemplaysanindispensablerole.Itnotonlycontrolsthewindwheelisalwaysinthewindwarddirection,butalsoimprovestheutilizationrateofwindenergyandpowergenerationefficiency.Therefore,astable,reliableandefficientyawcontrolsystemisindispensable.Theselectionandoptimizationofitscontrolalgorithmwilldirectlyaffectthehighefficiencyandreliabilityofwindturbineoperation.

Firstly,thispaperbrieflydiscussesthebackgroundofwindpowergenerationandthecurrentresearchstatusofwindpowergenerationinChina,andprovidesabriefanalysisofthedevelopmentofwindpowergeneration.Secondly,itexpoundstheintroductionofyawsysteminwindpowersystem,andexplainstheclassification,composition,workingprincipleandcontrolprocess.Thehardwarecomponentsandcircuitdesignoftheyawcontrolsystemareanalyzed,andthecontrolalgorithmoftheyawsystemisdesigned,andfinallytheyawcontrolsystemissimulatedandthesimulationresultsareanalyzed.Finally,thesimulationstudyoftheyawcontrolsystemiscarriedoutandthesimulationresultsareanalyzed.Itprovidesreferencesandconstructivesuggestionsforfutureresearchonthehardwareandsoftwaredesignofthewindturbineyawcontrolsystem.

Keyword：

Windturbine;yawcontrolsystem;PIDfuzzycontrol;SimulinkSimulation

III

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章绪论 1

1.1课题的研究背景 1

1.2课题的研究现状 1

1.3课题的研究意义 3

第2章风力发电偏航系统介绍 4

2.1偏航系统简介 4

2.2偏航装置分类 4

2.2.1尾舵调向 4

2.2.2侧风轮调向 4

2.2.3伺服电机调向 5

2.3偏航控制系统结构组成 5

第3章偏航控制系统设计 7

3.1偏航系统的工作原理 7

3.2偏航控制系统硬件设计 7

3.3偏航控制系统数据采集 8

3.4偏航控制系统的控制过程 9

3.4.1自动偏航 10

3.4.290°侧风 11

3.4.3人工偏航 12

3.4.4自动解缆 13

3.5偏航控制系统的软件设计与仿真 14

3.6偏航控制系统控制算法设计 18

第4章偏航控制系统的PID模糊仿真 20

4.1创建一个逻辑模糊 20

4.1.1使用模糊推理编辑器 20

4.1.2调节隶属函数编辑器 21

4.1.3使用规则编辑器 22

4.2将模糊逻辑添加到Simulink中 23

4.2.1保存并运行 23

结论与展望 26

参考文献 28

V

第1章绪论

1.1课题的研究背景

在化石能源即将枯竭和全球生态环境污染严重的影响下，作为清洁能源一种的风能有了快速的发展，基于可持续发展和碳达峰、碳中和战略决策的实施，风力发电正从辅助电源向主力电源过渡。

风电作为一个无环境污染和可再造的清洁再生能源有着很大的潜力，尤其是对于降低碳排放、改善电网电能质量、方便人们生活生产用电，有着举足轻重的作用。

但由于海拔地势和天气状况的原因，风是随机的，风向和风的大小也是在不断的变化的。

为了提高风力发电的转换效率，偏航系统也变成了水平轴发风力发电机系统的主要部分。

在偏航系统的影响下,能够让风力机的叶轮一直保持迎风状况,增加风力的效率,保障风力发电机的安全工作。

1.2课题的研究现状

我国对待环境问题一直以来都保持了比较积极的心态,2020年九月就明确提出了力争在2020年前完成二氧化碳排放量峰值、在2060年到达低碳中及水平的中长期目标,体现了我国人民主动适应气候变化、走绿色生态低碳发展道路的坚强意志。

在2020年12月12日庆祝《巴黎协定》签署的五周年国际气候与雄心峰会上,中方表示我们各国主动奉献了一些新措施,并提出三点倡议旨在加强和动员国际社会强化气候行动。

在这次大会上,中国企业进一步确定了走绿色低碳发展路线的坚定信念,并宣布了于2030年实现碳中和计划新目标，对于引导消费者低碳消费绿色生活，推进可持续发展有着重要的引领作用[1]。

如图1-1所显示,按照中国国家再生能源局公布的数据,截至到2020年,全国新建风能装机容量为7167千瓦,累计风能装机容量为28172万千瓦,风能发电装机容量仍保持快速增长,并有着巨大的发展前景。

图1-12011-2020年我国风电新增并网装机容量及累计并网装机容量

与此同时，风力发电量和风电占用电比例也逐年增长。

如图1-2所示，截至2020年我国风电发电量突破4665亿千瓦时，风电占全社会用电比例也增长到6.2%。

图1-22011-2020年我国风电年发电量及占全社会用电量比例

控制系统是风能发电机组中最关键的部分,不但承担着风机的自适应调速,同时还对电网供电实现了智能管理,通过监控风力机偏航运动达到了最优化的风电利用,目前国内的风能机械及自动化企业虽然已经能研发出样机,不过存在着技术推广困难的问题,同时对样机的验证也是个难点[2]。

风电机组的日常运行维和提升风电机机组的发电效益,一直是风能公司中普遍存在的问题和研究的重点,风力机偏航系统的优化，能有效提高风电场发电功率和风能的利用率[3]。

目前国内对于风力机偏航控制系统的研究，大多都是直接采用风力发电机组生产厂家的控制体系，而对于风力机偏航控制系统主要采用仿真研究，存在极大的弊端。

就最近的研究现状及研究方向表明，绝大多数是利用改善风力机偏航控制系统的算法，或者是利用风电场尾流效应来改善风电场风力机的布局，来提高风力机的工作效率、风能利用率，以及整个风电场的发电功率。

对于第一种方法，吴亚联等人对风力发电机组进行了偏航过程优化[4]，并且提出了海上风电场增效的方法，即将风力机组间的偏航于有功功率进行综合协调，并对风力机组进行数据采集以及控制过程的优化，最终实现了对于风力机的工作效率和风电场发电功率的提高。

Majid等人通过研究发现：

偏航机构的设置对于提升风力机发电功率来说是至关重要的[5]，与没有偏航机构的风力机相比，具有偏航机构的风力机能够使风电场的整体效率提高17%以上。

但是目前风电场机组的偏航控制优化仍未大规模使用，因此对于风力机偏航控制算法和风电场整场控制的可靠性以及可行性，进行深入研究是很有必要的。

而本课题的重点即在于对风力机偏航控制系统，参考Kuo等人对于风力机的偏航过程优化过程[6]，提出了改善偏航控制算法的观点，其在研究过程中采用了随机搜索算法，并且分析了偏航过程中对于偏航角的优化过程，实验结果表明：

随着风电场风力发电机数量的增加，对于风电机进行偏航优化具有明显的效果，能提高风电场的发电功率和风能利用率，具有广阔的研究前景的重要的研究价值。

1.3课题的研究意义

但由于海拔地势和天气状况的原因，风是随机的，风向和风的大小也是在不断的变化的。

为进一步提高风能发电的转化效能以及对风力的利用效率,偏航运动控制器也变成了保证风力机效能的重要,而作为水平转轴发风能发电机的主要部分之一,偏航运动控制器具有不可或缺的功能。

在偏航系统的影响下,能够让风力机的叶轮一直保持迎风状况,增加风力的效率,保障风力发动机的安全工作。

第2章风力发电偏航系统介绍

2.1偏航系统简介

风普遍存在于生活的各个角落，然而风向和风速始终都在变化，导致风资源浪费严重，风力发电机工作的首要条件就是要能实时的，准确测量风向和风速的大小和方向的变化。

所以,偏航控制系统的设定是必要的,通过偏航系统控制风轮判断方向和跟随风向的改变,让风轮自始至终都保持在迎风状态。

与此同时,偏航运动控制系统有二种主要的功能:

首先是使风轮中学在额定风力范围内始终自动跟随偏转,并维持在迎风位置,在不可用的风力区域内可以实现90°侧风。

其次是在持续跟随风向、对风流程中或许会发生的线缆纠缠时的自动解缆。

2.2偏航装置分类

基于风力机的稳定性和高效性，水平轴风力发电机普遍都具有偏航装置，已确保风轮始终处于对风状态，追踪风向。

目前常用的风力机偏航装置有以下几种。

2.2.1尾舵调向

尾舵调向的风力机系统如图2-1所显示,尾舵调向的系统大多应用于中小型风力发动机上,具有构造简单、调风速度方便和无须人操纵的优势,但不足之处是过于繁琐调向，且不能使风力机稳定处于迎风状态，系统波动性较大，发电功率不稳定。

图2-3尾舵调向

2.2.2侧风轮调向

侧风轮的调向结构简易示意如图2-2所示,其主要特征为在风力机机舱的侧边设置了一个或两个小风轮,并要求小风轮必须与风力机相垂直。

当风力机风轮和风向之间产生偏差夹角时,一侧的小风轮直径调节就会发挥重要作用:

小风轮受风速的作用而产生偏斜,遂即在风力机的转动轴上形成了一个偏置力矩,从而利用轮蜗杆等机械机构推动风力机发展成主轴转动,直到风向与一侧的小风轮滚轴垂直。

因此相比侧风轮直径调向装置和尾舵调向装置,侧风轮直径调向装置更具备调向顺畅和控制系统工作平稳的特性。

图2-4侧风轮调向

2.2.3伺服电机调向

伺服电机调向即采用电机驱动转向装置进行调向对风，主要运用于中型和大型风力发电机组的偏航机构。

伺服电机调向系统的优点是调向精密度高、平稳且高效，它的缺点是控制较复杂，需要定期维护。

生活中风力机常见的调向方式即尾舵调向、侧风轮调向和伺服电机调向三种方式，其中又分为两类：

一类是主动迎风，还有一类是被动迎风。

像伺服电机这种调向,这种方式是利用由电机驱动带动齿轮盒转动的风轮中学调整方位,使风轮的方向偏转至迎风状态,被叫做主动迎风。

而像尾舵调向和侧风轮调向这类型方法的是自动的在风力的影响下,利用自身结构引导风轮中学进行偏转,让风轮保持在迎风位置,这种方法也叫做被动迎风[7]。

2.3偏航控制系统结构组成

风力机的偏航控制系统,一般由偏航运动调节机构和偏航角驱动机构二部分构成。

偏航控制机构,主要用来调节风力大小和跟踪风向的改变，偏航驱动机构则是通过电机和齿轮箱的配合执行风轮的转向。

以下是风力机偏航系统的主要组成：

1、偏航驱动机构

通过电动机和齿轮箱使风轮朝着风向发生偏转，当系统收到偏航命令时，偏航驱动机构动作驱动偏航轴承完成偏航任务。

2、风向传感器

是控制偏航系统工作中不可或缺的一环，可以粗略检测风向并传达指令。

3、偏航控制器

一般使用单片机等微处理器作偏航控制器。

偏航控制器的作用功能按照控制规定接收并处理信息,同时发出控制指令。

4、解缆传感器

当风力机长时间保持向同一个方向偏航动作时，电缆会缠绕在风力机轴上，如果不能及时的解缆，就会导致电缆的损坏，影响风力机的正常运行。

为了避免发生这种故障，风力机偏航机构通常都设置了解缆装置，即在偏航系统设置解缆传感器，通过解缆传感器的信号来判断风力机是否需要解缆操作，并通过偏航电机转动来实现解缆。

6、偏航轴承

偏航轴承也提高了风力机偏航运动的及时性和稳定性,目前常见的偏航运动轴承主要包括了滑动轴承和旋转支承两种形式。

7、偏航制动器

为了避免风力机在不可用风速范围内导致的损坏和故障时能及时刹车检修，风力机都设置了偏航制动器，同时当风力机处于对风偏航系统停止动作时，偏航制动器把风力机进行固定。

第3章偏航控制系统设计

3.1偏航系统的工作原理

偏航控制系统的工作原理:

在偏航运动机构设置风向传感器,由风向传感器收集风向的变动信息,并将信息传送到偏航控制器中,由偏航控制器分析处理信息后将指令传达给偏航角驱动机构,而偏航角驱动机构则在接受偏转指令后,使偏航运动电机转动并传递向向齿轮箱,从而引导风轮中学进行偏航角动作,在风力机进行偏航角动作后,风向感应器就会结束并传递信息，偏航控制器发出命令使偏航电机停止旋转，偏航过程结束。

偏航系统的工作原理图如图3-5所示。

图3-5偏航系统的工作原理图

3.2偏航控制系统硬件设计

基于偏航控制系统接口关系,以单片机为核心,设计偏航运动控制器的电路设计如图3-6所示。

图3-6偏航控制系统硬件电路结构图

偏航系统,实际是利用在风向仪夹角上使之产生变化,而通过的对风力发电机风轮与飞机方向的控制,使风力发电机可以自动对风,并始终使风轮朝着上风的一侧,其目的使之增加了对风力的利用率,从而最大限度的捕捉了风力并增加风力机的发电功率。

偏航系统的硬件连接原理如图3-7所示。

图3-7偏航控制系统硬件接线原理图

本设计使用AT89C52单片机作微处理器,风向标是风向数据的传感器,ADC0804用作转换芯片,TL251-4是光电耦合器和集成电路,目的在于增强单片机和周围集成电路的抗干扰能力,并防止步进电机对周围单片机信号产生影响。

L297用作步进电机的环型分配器,L298用作步进电机的驱动模块和功率放大器,偏航动作就是由其驱动步进电机实现的。

该偏航运动控制器完成调整偏航角等动作的一般过程:

首先利用风向感应器进行并发出信号,通过数据单片机分析并判断输入的电压偏差,在步进电机动作时带动风轮中学旋转并进行偏航角旋转动作,直至风向感应器停止并在输出信号,整个偏航动作过程完成。

3.3偏航控制系统数据采集

偏航过程中最开始的问题就是判断风向,因此风力标的安装也就不可或缺,因为风力标会根据方向的不同而改变,使风力标和解码器进行连通时,会使解码器也跟着旋转,对风向标偏转角度值进行记忆,并将所记忆的方向及偏转角度值传送到PLC以进行下一次的数据处理,而PLC则需要捕获二台解码器之间传送的方向偏移角值,如果二者数值都不相等,就表示了当前风轮中学朝向的位置并与方向不吻合,所以要想进一步的增加风能的使用率,就必须保证机舱方向即当前风轮朝向和风力方向一致。

在此时,偏航控制系统程序就会向PLC发送指令,与偏航控制系统协同动作,由偏航电机带动齿轮盒回转,直至与机舱的风轮朝向和风向一致。

图3-8为偏航过程中数据采集的流程图。

图3-8数据采集流程图

3.4偏航控制系统的控制过程

利用风向感应器把风向的改变传输到偏航控制器的数据处理器里，判断后发出自动偏航、90°偏航停机、人工偏航、解缆和刹车的命令，从而实现了对风解缆等目的。

其控制流程如图3-9所示

图3-9偏航控制系统的控制过程

3.4.1自动偏航

为提高风力发动机的风能效率,风轮根据风向感应器给出的信息自行调节方位,实现风力机始终处于迎风状态,这种过程也叫做自动偏航。

为减少风力机偏航动作的频繁,提高了风力机机组稳定性和偏航驱动机构的寿命,自动偏航控制器设定偏差容许角度,当超过偏差后,偏航系统控制器会发送自动偏航角度命令，并启动自动偏航操作使机舱准确对风。

自动偏航程序流程图如图3-10所示。

图3-10自动偏航控制程序图

3.4.290°侧风

当外部环境中发生了超过风力发电机组额定风速范围的特殊大风时等,为保障风力发电机组的正常安全工作,将采用大风轮90°侧风时停止运行。

且该控制将保持飞机的行驶路线距离最短,并屏蔽了手动偏航控制系统,当飞机处于侧风情况下,偏航刹车装置开启[8]。

风轮会始终保持在侧风位置，并能将其固定在这一位置，以确保风力发电机组待机时的安全性。

其控制流程如图3-11所示。

图3-1190°侧风控制流程图

3.4.3人工偏航

人工偏航是指,在自动调整偏航角装置由于一些原因而损坏后,当风力机组需要进行机械检修、人工解缆或偏航角等作业时,经过人力的干涉,判断分析问题并主动操作,发出启动命令,通过人工手动控制风力发电机组的偏航运动。

具体实施过程中，在进行人工偏航操作前，第一步是要检测人工偏航起停信号是否正常，以及此时是否正在执行自动偏航操作。

确定系统任未完成自动偏航操作时，则在屏蔽所有自动偏航系统后继续执行人工偏航动作；当系统此时任正进行自动偏航操作时，则终止自动偏航操作，并删除所有自动偏航程序记录，然后再通过人工偏航信号确定发电机的正反转方向，待所有人工偏航动作全部完成后，清除人工偏航信号。

具体控制流程如图3-12所示。

图3-12人工偏航控制流程图

3.4.4自动解缆

由于风具有高度的随机性，风力发电机必须不断的进行偏航动作来对风，这就导致电缆可能会发生缠绕，若不能及时解缆将损坏电缆，导致风力发电机无法正常运行。

因此，风力机设定了自动解缆程序以利用解缆传感器确定电缆的缠绕圈数，并发出指令偏航电机正与反方向的动作。

而自动解缆系统由凸轮自动解缆与安全链动作报警两部分组成，在执行自动解缆动作的过程前，必须先要中断自动偏航控制程序，防止自动解缆动作与自动偏航动作相冲突。

当风力机出现问题造成自动解缆失灵后，立即向中央控制器发出故障信号并停机等待人工解缆。

图3-13为自动解缆程序流程图。

图3-1390°侧风控制流程图

3.5偏航控制系统的软件设计与仿真

自动偏航程序如图3-14所显示,当按下正起动按钮时,常开点I0.0闭合,输入输出点Q0.0置一,同样输入输出点Q0.1清0,则电动机正转,同样推动风电器舱内正运转。

当按下反向起动按钮时,常开点I0.1闭合,输入输出点Q0.1置一,同样输入输出点Q0.0清0,则电动机反向运行,同样推动风电器舱内反运转。

当风电器舱内返回原来方位时,C40中的值仍然等于零,同样输入输出点Q0.0也和同Q0.1一起清零,则电动机将终止运转,同样风电器舱内也将不能运转。

同理,当自动按下停机按键时,常开出入点I0.2一同闭合,而输出点Q0.0和同Q0.1同时清零,电机便终止运转,而风电机机舱遂亦终止运转。

图3-14手动偏航系统梯形图

自动偏航程序如图3-15所示。

图3-15自动偏航系统梯形图

3.6偏航控制系统控制算法设计

风机的性能和功率输出都是评价风力发电厂最关键的参数,因此偏航控制算法会直接影响风力机工作的效果和特性,而风力发电厂偏航控制作为一种经典的非线性控制系统,很难构建准确的模型。

因此,根据本设计参考中给出的简易模型[9]，偏航系统的开环传递函数如下：

使用Matlab进行模拟仿真，可以得出偏航控制系统阶跃响应如图3-14所示。

图3-16偏航控制系统阶跃响应图

从偏航控制系统阶跃响应图可以看出,系统振动剧烈,并且反应的持续时间过长,会严重影响偏航运动控制器工作的高效性与稳定性,对提升偏航运动控制器的效能来说非常不利。

为此,本设计对偏航系统控制算法进行了合理设计与修改,使风力机的偏航运动控制器可以进行迅速反应,使风力发电机有效地对风,从而增强了风力机偏航控制系统的稳定性。

第4章偏航控制系统的PID模糊仿真

4.1创建一个逻辑模糊

该系统通过模糊控制方法,来改善偏航控制响应的高效性与稳定性。

由于模糊控制技术不要求有准确的数学模型和检测对象,是一门智能控制系统的技术,它从严格意义上模拟了人的操作,同时模煳推理具有结构简单、鲁棒性好等优点,可以完成风力发动机偏航运动控制器的算法设计和管理能力。

采用了模糊PID管理,作为风力发动机的偏航控制方法。

在系统信息处于大区域内采用模煳推理,信息处于较小区域内采用PID管理。

阈值取为e0=0.3,当偏差信号|e|≥0.3后开始模煳推理,当|e|<0.3后,重新开始PID计算。

其设计的PID过程主要包括:

设计模糊控制规则如表4-15所示。

图4-17模糊控制规则表

4.1.1使用模糊推理编辑器

在Matlab指令行窗口输入“fuzzy”，回车后就会出现一个窗口。

由于默认是一个输入一个输出，本设计是两个输入一个输出，因此需要增加一个输入，如图4-16所示。

图4-18模糊逻辑设计器

4.1.2调节隶属函数编辑器

双击input1打开隶属度函数编辑器，先删除全部隶属函数，并更改Range内容为[-6,6],之后新增隶属度函数，并分别更改各个阶段隶属函数名称为：

NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB，如图4-17所示。

图4-19隶属函数编辑器

同理，修改input2和output1。

4.1.3使用规则编辑器

点击Edit菜单后，由4-15模糊控制规则表，从规则编辑器中增加新规则，如图4-17所示。

图4-20规则表

继续执行如下操作：

分别点击“View”→“Rules”和“View”→“Surface”显示我们编辑好的规则观察图形，更好的理解建立的模糊推理规则，如图4-18和4-19所示。

图4-21规则观察器

图4-22输出曲面观察器

4.2将模糊逻辑添加到Simulink中

打开Simulink，新建model。