风力发电机偏航系统控制策略研究
摘要：风能作为一种可再生的清洁能源，是人与自然和谐共处，实现社会与经
济可持续发展的新能源。

风向是在不断变化，水平轴的风力发电组就需要不断利
用偏航系统来进行方向的调整，通过风能最大限度的利用，就能够满足实际的需求。

因此，本文就风力发电机偏航系统的控制策略进行探讨。

关键词：风力发电机；偏航系统控制策略
1研究现状综述
纵观整个风电技术的发展历程及其现阶段所呈现出的发展趋势，现代大型风
力发电机组的单机容量不断增大，原来适用于中小型风机的风速、风载等分析模
型在大型化的风机应用中逐渐显现出不适性，巨大的风轮扫略平面内风速的空间
分布差异变得很大，长长的叶片在旋转过程中所处的方位不同，所处的风况也不
尽相同。

现有的风速建模研究文献多倾向于简化风速模型或未深入考虑风速的空
间分布对机组运行的影响。

由于风轮扫略面积成倍增大，偏航误差造成的叶片动
力学特性及机组的偏航力矩、倾斜力矩等载荷波动也会被成倍放大，对于中小型
风机能够容许的偏航误差对于大型风机则未必适用，而偏航容许误差的调整可能
会很大程度上影响偏航控制算法。

现有的文献大多局限于研究偏航误差对偏航控
制和气动性能的影响以及如何针对性的进行优化提高，而频繁偏航造成的偏航硬
件设备的耗损和高故障率很少被关注，在偏航误差对风电机组并网运行特性的影
响方面以及基于偏航系统可靠性的偏航控制策略优化设计更是少有研究成果问世。

2风力发电机偏航控制系统分析
2.1风力机组
风力发电机是直接将风能转化为机械功，然后利用机械功实现对转子的带动
旋转，最终输出交流电。

在转换能量的时候，基于风力机将风能直接转变为机械能，然后将机械能转换成为电能，这样就可以满足实际的转换，让风力机组可以
满足其实际的应用目标偏航系统结构。

基于大型水平轴风电机组，其包含的部分
主要是针对偏航轴承、驱动装置、计数器等。

2.2偏航系统功能
偏航控制系统也属于对风装置，其包含的具体功能在于：配合机组控制系统，放出现风速矢量方向改变的时候，利用偏航控制系统的处理，就可以实现风向平
稳而快速的对准，并且也可以满足风轮最大风能的实现；针对风机电缆而言，还
需要考虑到单向缠绕偏多从而引发电缆出现断裂现象。

一旦电缆缠绕，就能适应
自动解缆处理的需求，进而实现风机的运行安全性，其实际的控制流程见图1。

2.3风速和风向
风是地球上的一种自然现象，由太阳辐射热引起。

太阳照射到地球表面，地
表各处因受热不均产生温差，从而引起大气对流运动形成风。

自然风有大小也有
方向，通常用风速或风力描述风的大小、用风向描述风的方向。

气象上把风吹来
的方向称为风向。

风向的度量有多种方法：在陆上多采用16方位度量法；在海
上多采用36方位度量法；而在高空则多用角度表示，将圆周标成360°，北风(N)
对应0°(或360°)，东风(E)对应90°，南风(S)对应180°，西风(W)对应270°，其它细分风向可由此计算得出，风的大小也称风的强度常用风力或风速表示。

2.4偏航误差
当风向发生变化或机组偏航对风不准时，风向与风轮轴线就会偏差一定角度，
此角度称为偏航误差角，简称为偏航误差。

研究发现，现代风机大多数时间内都
是处在偏航误差状态下运行，造成这一现象的原因很多，归结起来主要有三方面：第一，自然界的风受诸多因素影响具有很大的随机性，风速和风向都是时刻变化的；第二，位于上方向的风轮吸收风能后产生尾流湍流，同时使局部风向产生离
散性，因此对处于风轮下风向的风向标产生较大扰动，风向标会不停的摆动，测
风精度降低，不能精确测出实际风向，造成偏航控制系统无论是采用基于卡尔曼
滤波的PI控制、模糊控制，还是采用最优控制等方法，均得不到理想的控制信号，进而导致机组偏航对风精度较低。

第三，为了避免频繁偏航对机组造成损伤，现
代风机的偏航控制策略都要求系统具有一定的惰性以保证机组整体运行的稳定性，即在平均风向发生改变的一定角度范围及一定时长内保持当前的偏航姿态。

所有
这些因素都使得风机不可能实时对准风向。

3偏航控制策略优化方法
首先，由偏航误差对风轮转速的影响分析可知，相同的偏航误差在不同风速
阶段对风轮转速的绝对值影响程度有明显差异，在高风速段（阶段Ⅳ）时影响最大，低风速段（阶段Ⅱ）次之，中间风速段（阶段Ⅲ）影响最小。

同时，相比于
风剪切与塔影效应造成的转速波动幅值，偏航误差在15°以内时引起的转速波动
量很小，不足其1/3；当时当偏航误差达到20°及以上时造成的转速波动才与之相当。

第二，由偏航误差对机组功率的影响分析可知，机组各种控制量（如桨距角θ、叶尖速比λ、风能利用系数Cp(θ,λ)和发电机的电磁转矩Te等）的加入使得风
轮气动功率与偏航误差角的关系复杂化，并不完全遵循Cosine-cubed法则；偏航
误差对机组功率损失的影响规律在不同风速范围及机组运行阶段内呈现非常明显
的差异。

在低于额定转速运行阶段（阶段Ⅱ），即风速低于7.4m/s时，偏航误差对机组功率的影响随风速的增大迅速增大，但总体影响程度较小，此阶段内偏航
误差对风速比较敏感。

偏航误差较小（10°、15°和20°）时，功率损失曲线迅速趋
近并超过Cosine-cubed法则值，而偏航误差较大（30°、45°和60°）时，功率损失曲线则近似的以Cosine-cubed法则值为极限线性趋近。

在低于额定功率运行阶段（阶段Ⅲ），即风速介于7.4m/s与10.5m/s之间，偏航误差对机组功率的影响趋
于稳定，风能损失率均达到最大值且基本不随风速的变化而变化。

此阶段内小偏
航误差（10°、15°和20°）时机组功率损失均在17%以下，而大偏航误差（30°、45°和60°）时的机组功率损失均在35%以上。

在恒额定功率运行阶段（阶段Ⅳ），即风速大于10.5m/s时，偏航误差对机组功率的影响出现严重分化，偏航误差较
小（10°、15°和20°）时，这种影响迅速降低为零，风机能够很快达到额定功率；
当偏航误差较大（30°、45°和60°）时，机组功率随风速变化出现发散性波动，机
组不能达到额定功率。

综上所述，偏航误差在20°以内时对功率影响不大，可以
接受，但偏航误差如继续增大则对功率波动和功率损失影响很大，变得不可接受。

结语
偏航系统是风力发电关键部件，其控制策略直接决定着风力发电系统的经济
效益。

智能化、复合化的对风控制策略有效地提升了偏航系统追踪风向变化的性能。

现有偏航系统重启对风控制策略以追求理论风能利用力和发电量为目标，未
考虑风力发电系统寿命周期经济效益最优的问题。

风向变化规律与风速大小作为
风场风能资源测量与分析的两个重要方面，同时也应是偏航系统对风行为控制过
程中的关键变量，从寿命周期角度研究偏航系统重启对风策略是值得研究的。

参考文献
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