摘要: 結(jié)合目前風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)的運(yùn)行情況，介紹了偏航中存在的光影影響、噪音影響、高低溫控制問(wèn)題。而后針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，分別設(shè)計(jì)了時(shí)段偏航控制、規(guī)避居民區(qū)控制、高低溫控制偏航策略。最后基于國(guó)產(chǎn)化PLC進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)施，該系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下投入不同的控制方法，并加入了交替陰影區(qū)域規(guī)避方法。同時(shí)將偏航劃分了不同的時(shí)段，不同時(shí)段上控制策略偏向性不同，白天主要以對(duì)風(fēng)及躲避陰影區(qū)域?yàn)橹鳎M可能多的爭(zhēng)取發(fā)電量。太陽(yáng)落山后，對(duì)于偏航噪音較大的機(jī)組，在滿足網(wǎng)調(diào)發(fā)電量的基礎(chǔ)上盡可能少的減少偏航動(dòng)作次數(shù)。通過(guò)研究設(shè)計(jì)實(shí)施最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的友好型。
關(guān)鍵詞: 國(guó)產(chǎn)化PLC，友好型偏航，偏航策略
1.引言
風(fēng)力發(fā)電作為一種可靠的清潔能源越來(lái)越受到重視,它利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)電機(jī)組葉片旋轉(zhuǎn)，通過(guò)增速機(jī)（雙饋系列風(fēng)電機(jī)組）將旋轉(zhuǎn)的速度進(jìn)一步提升，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并將產(chǎn)生的電能輸送到公共電網(wǎng)中。整個(gè)機(jī)組通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)將各個(gè)子系統(tǒng)、設(shè)備、傳感器等連接在一起形成一個(gè)自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，能夠完成機(jī)組的偏航、變槳及并網(wǎng)發(fā)電控制等功能。隨著人們對(duì)風(fēng)力發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究不斷深入，風(fēng)電機(jī)組自身的設(shè)計(jì)在不斷的優(yōu)化，除了發(fā)電的目的外，對(duì)電網(wǎng)和周邊環(huán)境適應(yīng)能力高，不擾民等功能型需求都需要不斷的加入到機(jī)組控制設(shè)計(jì)中去。
友好型控制系統(tǒng)是指風(fēng)電機(jī)組的控制策略使機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)能力更強(qiáng)，不但能夠給正常的電網(wǎng)輸送電能，還能在電網(wǎng)發(fā)生故障（低電壓、高電壓、電壓電流不平衡、電網(wǎng)過(guò)頻、欠頻等）時(shí)不脫網(wǎng)，并通過(guò)其他控制策略給電網(wǎng)提供有效支撐，幫助電網(wǎng)快速通過(guò)故障點(diǎn)，恢復(fù)正常狀態(tài)。另外，友好型控制系統(tǒng)還應(yīng)包括機(jī)組能在控制策略的控制下更好的適應(yīng)周邊環(huán)境，比如耐低溫、耐高溫、噪音小、不擾民等。
由于風(fēng)能的利用效率并不是很高，因此機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是如何盡可能多的獲取更多的風(fēng)能。機(jī)組的偏航系統(tǒng)在機(jī)組獲得風(fēng)能的環(huán)節(jié)中發(fā)揮了重要的作用，通過(guò)偏航系統(tǒng)的控制，能夠保證機(jī)組的對(duì)風(fēng)方向，從而保證機(jī)組盡可能多的獲取風(fēng)能。
隨著國(guó)家對(duì)于清潔能源的大力發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組的需求量逐年增加，更多的風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)始建設(shè)在離居住區(qū)不遠(yuǎn)的開(kāi)闊地帶，由于機(jī)組葉片不斷加長(zhǎng)，其旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的變化的陰影容易影響到周邊居民的正常生活。在建筑設(shè)計(jì)中通常要考慮采光問(wèn)題，但是普通的建筑設(shè)計(jì)所考慮的對(duì)象是地面上的固定物體，而風(fēng)電機(jī)組因?yàn)樾枰粩嗟恼{(diào)整機(jī)艙位置以保證迎風(fēng)工作，因此住在風(fēng)電場(chǎng)附近的居民經(jīng)常會(huì)由于被機(jī)組葉片的陰影部分掃略到而被陰影及光線交替騷擾。這種機(jī)組從一定程度上來(lái)說(shuō)是不友好的，容易給風(fēng)電場(chǎng)和當(dāng)?shù)鼐用裨斐梢欢ǖ募m紛隱患。由于偏航噪音過(guò)大，因此在夜間及休息時(shí)間應(yīng)盡量減少偏航動(dòng)作時(shí)間。綜上所述，需要設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)的、友好的偏航控制策略來(lái)提高機(jī)組適應(yīng)環(huán)境的能力。
2.友好型偏航控制策略
本文設(shè)計(jì)的友好型偏航控制策略主要包括3部分內(nèi)容，低溫和常溫的選擇、是否規(guī)避居民區(qū)的選擇、夜晚和白天的選擇。
2.1 低溫和常溫的不同控制策略
電纜在低溫環(huán)境下會(huì)更加脆弱，易折斷，連接塔基及機(jī)艙的電纜所能承受的扭轉(zhuǎn)力更小，因此，在低溫環(huán)境中，機(jī)艙朝著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的單向機(jī)艙位置角度要低于常溫環(huán)境中。在實(shí)際的偏航系統(tǒng)中，偏航控制器會(huì)給機(jī)組提供一個(gè)硬件的左右極限位置故障反饋，觸發(fā)該反饋之后，偏航系統(tǒng)被鎖定，無(wú)法繼續(xù)偏航，需要人工干預(yù)后才能繼續(xù)偏航。除此之外，偏航控制器還會(huì)提供左右極限位置警告，主控程序靠這個(gè)警告來(lái)進(jìn)行自動(dòng)解纜等操作。這些都是通過(guò)偏航控制硬件配置的，無(wú)法通過(guò)程序進(jìn)行修改。但是在觸發(fā)硬件保護(hù)前，主控程序一般會(huì)設(shè)置一個(gè)軟件保護(hù)的機(jī)艙單向運(yùn)行角度，這個(gè)角度主控程序可以通過(guò)溫度進(jìn)行判斷，不同的溫度對(duì)應(yīng)不同的角度，從而實(shí)現(xiàn)了低溫和常溫不同的控制策略以保證偏航系統(tǒng)的安全。
2.2 規(guī)避居民區(qū)的控制策略
規(guī)避居民區(qū)的控制策略是指在普通的偏航對(duì)風(fēng)控制策略的基礎(chǔ)上加入了對(duì)機(jī)組陰影范圍的控制，盡可能的減少陰影范圍給周邊居民造成的影響。如圖1所示，風(fēng)機(jī)葉片掃風(fēng)的平面在出至于太陽(yáng)光線入射方向的面上的投影為Z，由于葉片的旋轉(zhuǎn)會(huì)遮擋陽(yáng)光，從而在地面上形成D區(qū)域的一個(gè)由葉片掃過(guò)的陰影區(qū)域，在區(qū)域D中葉片的陰影會(huì)不斷旋轉(zhuǎn)，根據(jù)風(fēng)速的不同，其旋轉(zhuǎn)速度會(huì)有一定的區(qū)別。
圖1 光影區(qū)域示意圖
通常風(fēng)電機(jī)組的光影影響范圍取決于太陽(yáng)高度角：太陽(yáng)高于角越大，風(fēng)機(jī)的影子越短，太陽(yáng)高度角越小，風(fēng)機(jī)的影子越長(zhǎng)。圖1中所示區(qū)域D覆蓋的面積，由實(shí)時(shí)的太陽(yáng)高度角h，機(jī)組高度H及投影面積Z決定。其中，機(jī)組高度H是確定的，而太陽(yáng)高度角h會(huì)隨著時(shí)間和季節(jié)的變化而變化，h越小則其區(qū)域D覆蓋范圍越大，投影面積Z越大，區(qū)域D覆蓋的范圍越大。
當(dāng)機(jī)艙方向迎著太陽(yáng)光線時(shí)，由于葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的陰影越濃厚，越寬大，因此我們可以先分析這個(gè)極限狀態(tài)。在圖1所示的平面中建立三維坐標(biāo)系，葉片的位置可以假設(shè)某一時(shí)刻葉片靜止時(shí)的位置，太陽(yáng)高度角可以通過(guò)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度、日期及時(shí)間精確的計(jì)算出來(lái)，利用空間解析幾何相關(guān)公式計(jì)算出太陽(yáng)光線與葉片交線在地面的投影面積范圍。
主控程序計(jì)算出陰影區(qū)域D的范圍之后，將該區(qū)域轉(zhuǎn)換為以風(fēng)機(jī)為中心的坐標(biāo)值，再與居民區(qū)的坐標(biāo)值相比對(duì)，判斷陰影區(qū)域是否與居民區(qū)重合，重合度是多少。通過(guò)重合度的判斷，對(duì)機(jī)組偏航控制策略進(jìn)行一定的優(yōu)化，該策略一旦被啟用，機(jī)組偏航至該重合區(qū)域時(shí)會(huì)保證機(jī)組安全性的前提下繼續(xù)偏航，直到機(jī)艙轉(zhuǎn)過(guò)重合區(qū)域，此時(shí)由于機(jī)艙不是正對(duì)風(fēng)向，因此有一定的發(fā)電量損失。
2.3 不同時(shí)段的偏航控制策略
有陽(yáng)光的白天，偏航主要以對(duì)風(fēng)及躲避陰影區(qū)域位置，陰雨天自動(dòng)取消躲避策略，正常偏航對(duì)風(fēng)，盡可能多的爭(zhēng)取發(fā)電量。夜晚，如果機(jī)組偏航系統(tǒng)由于自身原因?qū)е略胍暨^(guò)大，可以啟動(dòng)夜晚模式，減少偏航啟動(dòng)次數(shù)。
3.策略實(shí)施方法
3.1 低溫和常溫的選擇
風(fēng)電機(jī)組可以自動(dòng)進(jìn)行低溫和常溫偏航控制測(cè)試選擇，執(zhí)行如下步驟。圖片
（1）機(jī)組安裝有可靠的環(huán)境溫度測(cè)量傳感器，最好有冗余；
（2）機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度進(jìn)行低溫和常溫控制策略的自動(dòng)選擇；
（3）人機(jī)界面中應(yīng)具備低溫和常溫控制策略的手動(dòng)選擇功能。
上述步驟的軟件控制流程圖如圖2所示。
圖2 低溫和常溫偏航控制策略流程圖
3.2 規(guī)避居民區(qū)偏航控制策略的投入
規(guī)避居民區(qū)偏航控制策略的投入需要進(jìn)行以下步驟。
（1）機(jī)組人機(jī)界面上具有手動(dòng)輸入模式，輸入數(shù)據(jù)包括機(jī)組的經(jīng)緯度、海拔高度、空氣密度、葉片長(zhǎng)度等；
（2）為了保證計(jì)算的太陽(yáng)高度角準(zhǔn)確，機(jī)組需具備實(shí)時(shí)的時(shí)間校對(duì)功能，保證機(jī)組時(shí)間與當(dāng)?shù)貢r(shí)間一致；
（3）機(jī)組通過(guò)加入光敏傳感器來(lái)自動(dòng)判斷光線強(qiáng)弱，通過(guò)系統(tǒng)時(shí)間判斷季節(jié)、太陽(yáng)高度等值并判斷是否投入規(guī)避居民區(qū)偏航控制策略，如果投入，則將自動(dòng)進(jìn)行3中所述的相關(guān)計(jì)算，然后給出偏航動(dòng)作指令。當(dāng)機(jī)組通過(guò)光敏傳感器檢測(cè)到光線較弱時(shí)，如陰雨天、云霧天及夜間時(shí)，可以自動(dòng)退出該控制策略。
（4）機(jī)組除具備自動(dòng)投切該偏航控制策略外，也可以通過(guò)手動(dòng)控制該策略的投入與否。
上述步驟的軟件控制流程圖如圖3所示。
圖3 規(guī)避光影區(qū)域偏航控制策略流程圖
4.結(jié)論
本次研究應(yīng)用是在舊機(jī)組的PLC升級(jí)改造中完成的，這些機(jī)組PLC使用年限較長(zhǎng)，都是10年前的主流PLC，其CPU性能相對(duì)較差，比如ABB公司KT98，KT97系列PLC，CPU主頻較低，對(duì)于浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)支持不夠，不能進(jìn)行文件操作，對(duì)于偏航的數(shù)據(jù)記錄較少，國(guó)產(chǎn)化PLC改造后，CPU性能更加優(yōu)越，文件記錄和處理功能更加完善，將偏航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)增加到文件記錄中，為偏航系統(tǒng)優(yōu)化和維護(hù)都提供了便利的條件，經(jīng)過(guò)應(yīng)用取得了良好的效果。
綜上分析所述基于國(guó)產(chǎn)化PLC的風(fēng)電機(jī)組友好型偏航控制策略可以降低光影影響、有效提高機(jī)組環(huán)境適應(yīng)能力。不同時(shí)段的多樣化控制策略，能夠在保證上述控制策略的同時(shí)盡可能提高發(fā)電量，優(yōu)化機(jī)組性能。
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