1 引言
　　能源是人类生存的基本要素,国民经济发展的主要物资基础。由于化石资源的日益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注,风能作为取之不尽、用之不竭的清洁绿色能源已深受全世界的重视。随着风电技术的进步和风电场的开发CONTROL ENGINEERING China版权所有,我国风电产业开始形成。目前风电场的全年发电量近8
　　亿度,已形成产值20
　　多亿元,在社会经济生活中产生了一定的影响。风力机的偏航控制系统作为风力机控制系统里的重要一环控制工程网版权所有,本文详细介绍了一种基于新型算法的风力机偏航控制系统设计。
　　2 系统结构设计
　　风力发电系统的偏航控制系统,主要分为两大类:被动迎风偏航系统和主动迎风系统。前者多用于小型的独立风力发电系统,由尾舵控制,风向改变时,被动对风。后者则多用大型并网型风力发电系统,由位于下风向的风向标发出的信号进行主动对风控制。为了保证风力发电机组发挥最大效能,机舱必须准确对风;只有在风力发电机叶轮法线方向与风向一致时,才能确保风力机吸收的功率最大。

　　图1 控制器系统总体结构图

　　以前的风力发电控制系统硬件主电路主要采用一片89C51 单片机和两片可编程8255A并行口I/O 接口芯片组成www.cechina.cn,硬件电

路如图1 所示;后来采用单片机AT89S52 和三片8155H 并行口I/O 接口芯片组成www.cechina.cn,二者的控制方式和原理是相同的,存在的主要缺陷是www.cechina.cn,采用这样的控制器,其实时性和数据处理速度不够好。随着系统的控制性能不断提升,采用单片机作为偏航控制器已逐渐被性能更好、处理速度更快、实时性更高的DSP 和嵌入式系统所替代。本系统硬件电路采用DSP 作为系统偏航控制器。
　　3 硬件系统设计
　　1、系统的传动机构。偏航系统通常其主要功能有两个:一是与风力发电机组的控制系统相互配合,使风轮始终处于迎风状态,提高风力发电机组的发电效率;其二是保障风力发电机组的安全运行。风力发电机系统结构含四组偏航系统,四组偏航系统对称分布,其中机舱与塔之间是回转支承。
　　2、系统机组的选定。双馈风力发电机组是目前技术最成熟、研究最为广泛的一类发电机组,自身有着诸多优点。如与传统的恒速恒频风力发电系统相比,采用双馈电机的变速恒频风力发电系统具有风能利用系数高,能吸收由风速突变所产生的能量波动以避免主轴及传动机构承受过大的扭矩和应力,以及可以改善系统的功率因数等。本文中的仿真模型采用了此种风力发电机组。
　　3、功率检测。为有效进行Hill Climbing 算法控制,功率检测尤其显为重要。功率检测仪器位于转子侧,这是因为转子侧的输入输出功率容量相对于定子边要小,对功率变化检测的精度要高www.cechina.cn,并且所需检测仪器的容量也可相应的有所降低。功率检测的量主要包括电压和电流的检测,如图2 所示,虚线框内给出的是偏航控制系统框图。本设计选用了莱姆公司生产的LEM 电流、电压传感器。LEM 电流、电压传感器可测量直流、交流和脉冲波形的电流和电压。在原边电路和副边电路之间由很高的绝缘强度,可以有效地保护副边的测量设备,而且准确、快速。

　　4、控制器。为了提高控制精度和实现信号跟随,在信号输入环节设计了二阶反相滤波和信号跟随,跟随器采用性能优越的OP07。工作电压为5V 的光耦驱动电路要想将信号输入到TMS320LF2407 的A/D 输入通道,必须要经过电平转换电路,将电压降低到0～3.3V 内。TMS320LF2407 的I/O 端口作为输出使用,它的工作电压也是3.3V,所以为了驱动光耦功率驱动电路,必须要将电平提升至5V。图3 所示为DSP 控制系统框图,其中电平转换电路(1)是将3.3V 的电压转换成5V,电平转换电路(2)是将5V 电压转换成3.3V。设计中采用74ALVCl64245 模块,它采用双电压供电,一边采用3.3V 供电,另一边采用5V 供电,因此可将3.3V 的电平转换为5V 的电平,也可以将5V 的电平转换为3.3V 的电平,同时可以用作两个8位总线驱动器或者一个16 位总线驱动器。设计采用两个8 位总线驱动器。

　　5、开关电路与机械传动机构和伺服电机的选择。控制器输出的信号经过光耦驱动电路和继电器开关电路控制电机的正反转,通过电磁阀指定偏航电机的状态(开起或停止)。最终通过传动机构保持风力发电机叶轮迎风面始终垂直于风向。机械传动机构由偏航轴承、齿轮箱、蜗轮蜗杆机构组成,因为机舱转动惯量较大,为了减小机舱旋转时产生大的陀螺力矩,机舱调向时要求大的传动比。设计采用三相交流伺服电机作为控制器的执行元件。
　　4 控制算法
　　4.1 控制算法选择
　　因位于下风向,受到紊流等各种不利因素影响,且自身的测向精度也存在不足,使得控制信号都不甚理想,进而导致对风精度不高,本文基于上述对风方法的缺点,首次提出了一种新型适用于大型风力发电机组的对风偏航控制算法—VANE-HILLCLIM