摘要: 結合目前風機偏航系統的運行情況，介紹了偏航中存在的光影影響、噪音影響、高低溫控制問題。而后針對問題進行分析，分別設計了時段偏航控制、規避居民區控制、高低溫控制偏航策略。最后基于國產化PLC進行設計實施，該系統在不同環境溫度下投入不同的控制方法，并加入了交替陰影區域規避方法。同時將偏航劃分了不同的時段，不同時段上控制策略偏向性不同，白天主要以對風及躲避陰影區域為主，盡可能多的爭取發電量。太陽落山后，對于偏航噪音較大的機組，在滿足網調發電量的基礎上盡可能少的減少偏航動作次數。通過研究設計實施最終實現風電機組的友好型。
關鍵詞: 國產化PLC，友好型偏航，偏航策略
1.引言
風力發電作為一種可靠的清潔能源越來越受到重視,它利用風力帶動風電機組葉片旋轉，通過增速機（雙饋系列風電機組）將旋轉的速度進一步提升，帶動發電機旋轉將動能轉化為電能，并將產生的電能輸送到公共電網中。整個機組通過自動控制系統將各個子系統、設備、傳感器等連接在一起形成一個自動控制網絡，能夠完成機組的偏航、變槳及并網發電控制等功能。隨著人們對風力發電及風力發電機組的研究不斷深入，風電機組自身的設計在不斷的優化，除了發電的目的外，對電網和周邊環境適應能力高，不擾民等功能型需求都需要不斷的加入到機組控制設計中去。
友好型控制系統是指風電機組的控制策略使機組對電網的適應能力更強，不但能夠給正常的電網輸送電能，還能在電網發生故障（低電壓、高電壓、電壓電流不平衡、電網過頻、欠頻等）時不脫網，并通過其他控制策略給電網提供有效支撐，幫助電網快速通過故障點，恢復正常狀態。另外，友好型控制系統還應包括機組能在控制策略的控制下更好的適應周邊環境，比如耐低溫、耐高溫、噪音小、不擾民等。
由于風能的利用效率并不是很高，因此機組在運行過程中很重要的一個環節就是如何盡可能多的獲取更多的風能。機組的偏航系統在機組獲得風能的環節中發揮了重要的作用，通過偏航系統的控制，能夠保證機組的對風方向，從而保證機組盡可能多的獲取風能。
隨著國家對于清潔能源的大力發展，風電機組的需求量逐年增加，更多的風電場開始建設在離居住區不遠的開闊地帶，由于機組葉片不斷加長，其旋轉帶來的變化的陰影容易影響到周邊居民的正常生活。在建筑設計中通常要考慮采光問題，但是普通的建筑設計所考慮的對象是地面上的固定物體，而風電機組因為需要不斷的調整機艙位置以保證迎風工作，因此住在風電場附近的居民經常會由于被機組葉片的陰影部分掃略到而被陰影及光線交替騷擾。這種機組從一定程度上來說是不友好的，容易給風電場和當地居民造成一定的糾紛隱患。由于偏航噪音過大，因此在夜間及休息時間應盡量減少偏航動作時間。綜上所述，需要設計一種實時的、友好的偏航控制策略來提高機組適應環境的能力。
2.友好型偏航控制策略
本文設計的友好型偏航控制策略主要包括3部分內容，低溫和常溫的選擇、是否規避居民區的選擇、夜晚和白天的選擇。
2.1 低溫和常溫的不同控制策略
電纜在低溫環境下會更加脆弱，易折斷，連接塔基及機艙的電纜所能承受的扭轉力更小，因此，在低溫環境中，機艙朝著一個方向旋轉的單向機艙位置角度要低于常溫環境中。在實際的偏航系統中，偏航控制器會給機組提供一個硬件的左右極限位置故障反饋，觸發該反饋之后，偏航系統被鎖定，無法繼續偏航，需要人工干預后才能繼續偏航。除此之外，偏航控制器還會提供左右極限位置警告，主控程序靠這個警告來進行自動解纜等操作。這些都是通過偏航控制硬件配置的，無法通過程序進行修改。但是在觸發硬件保護前，主控程序一般會設置一個軟件保護的機艙單向運行角度，這個角度主控程序可以通過溫度進行判斷，不同的溫度對應不同的角度，從而實現了低溫和常溫不同的控制策略以保證偏航系統的安全。
2.2 規避居民區的控制策略
規避居民區的控制策略是指在普通的偏航對風控制策略的基礎上加入了對機組陰影范圍的控制，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，風機葉片掃風的平面在出至于太陽光線入射方向的面上的投影為Z，由于葉片的旋轉會遮擋陽光，從而在地面上形成D區域的一個由葉片掃過的陰影區域，在區域D中葉片的陰影會不斷旋轉，根據風速的不同，其旋轉速度會有一定的區別。
圖1 光影區域示意圖
通常風電機組的光影影響范圍取決于太陽高度角：太陽高于角越大，風機的影子越短，太陽高度角越小，風機的影子越長。圖1中所示區域D覆蓋的面積，由實時的太陽高度角h，機組高度H及投影面積Z決定。其中，機組高度H是確定的，而太陽高度角h會隨著時間和季節的變化而變化，h越小則其區域D覆蓋范圍越大，投影面積Z越大，區域D覆蓋的范圍越大。
當機艙方向迎著太陽光線時，由于葉片旋轉產生的陰影越濃厚，越寬大，因此我們可以先分析這個極限狀態。在圖1所示的平面中建立三維坐標系，葉片的位置可以假設某一時刻葉片靜止時的位置，太陽高度角可以通過當地經緯度、日期及時間精確的計算出來，利用空間解析幾何相關公式計算出太陽光線與葉片交線在地面的投影面積范圍。
主控程序計算出陰影區域D的范圍之后，將該區域轉換為以風機為中心的坐標值，再與居民區的坐標值相比對，判斷陰影區域是否與居民區重合，重合度是多少。通過重合度的判斷，對機組偏航控制策略進行一定的優化，該策略一旦被啟用，機組偏航至該重合區域時會保證機組安全性的前提下繼續偏航，直到機艙轉過重合區域，此時由于機艙不是正對風向，因此有一定的發電量損失。
2.3 不同時段的偏航控制策略
有陽光的白天，偏航主要以對風及躲避陰影區域位置，陰雨天自動取消躲避策略，正常偏航對風，盡可能多的爭取發電量。夜晚，如果機組偏航系統由于自身原因導致噪音過大，可以啟動夜晚模式，減少偏航啟動次數。
3.策略實施方法
3.1 低溫和常溫的選擇
風電機組可以自動進行低溫和常溫偏航控制測試選擇，執行如下步驟。圖片
（1）機組安裝有可靠的環境溫度測量傳感器，最好有冗余；
（2）機組自動控制系統根據當前環境溫度進行低溫和常溫控制策略的自動選擇；
（3）人機界面中應具備低溫和常溫控制策略的手動選擇功能。
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 規避居民區偏航控制策略的投入
規避居民區偏航控制策略的投入需要進行以下步驟。
（1）機組人機界面上具有手動輸入模式，輸入數據包括機組的經緯度、海拔高度、空氣密度、葉片長度等；
（2）為了保證計算的太陽高度角準確，機組需具備實時的時間校對功能，保證機組時間與當地時間一致；
（3）機組通過加入光敏傳感器來自動判斷光線強弱，通過系統時間判斷季節、太陽高度等值并判斷是否投入規避居民區偏航控制策略，如果投入，則將自動進行3中所述的相關計算，然后給出偏航動作指令。當機組通過光敏傳感器檢測到光線較弱時，如陰雨天、云霧天及夜間時，可以自動退出該控制策略。
（4）機組除具備自動投切該偏航控制策略外，也可以通過手動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 規避光影區域偏航控制策略流程圖
4.結論
本次研究應用是在舊機組的PLC升級改造中完成的，這些機組PLC使用年限較長，都是10年前的主流PLC，其CPU性能相對較差，比如ABB公司KT98，KT97系列PLC，CPU主頻較低，對于浮點型數據支持不夠，不能進行文件操作，對于偏航的數據記錄較少，國產化PLC改造后，CPU性能更加優越，文件記錄和處理功能更加完善，將偏航系統的數據增加到文件記錄中，為偏航系統優化和維護都提供了便利的條件，經過應用取得了良好的效果。
綜上分析所述基于國產化PLC的風電機組友好型偏航控制策略可以降低光影影響、有效提高機組環境適應能力。不同時段的多樣化控制策略，能夠在保證上述控制策略的同時盡可能提高發電量，優化機組性能。
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