風電機組控制策略優化及發電量提升的研究與實踐

文 | 殷宗林，肖振海，高英俊，劉春生，郝偉敏，李愛元，來建祥，張存佳，王磊

產業

風電機組控制策略優化及發電量提升的研究與實踐

文 | 殷宗林，肖振海，高英俊，劉春生，郝偉敏，李愛元，來建祥，張存佳，王磊

引言

某風電場位于河北省境內，場址海拔平均高度約為3m，地勢平坦，為廣闊的沿海平原，場區風能資源豐富。風電場共裝機66臺1.5MW風電機組，于2010年6月投入商業運行。該風電場機組的控制策略相對簡單粗糙，按單一的查表控制算法控制，存在最佳葉尖速比區范圍小、風能捕獲少、轉速—轉矩參數固定、環境溫度影響欠考慮、低風速下無尋優辨識功能等缺點，導致發電量無法快速跟隨功率曲線的設計要求；并且風電場建設期間未能做到對機組的精準精細調整，運行期間暴露出批次設計缺陷以及機組維護不到位等問題，造成機組故障率高，風能利用效率相對較低，使得整個風電場發電量偏低，嚴重影響風電場效益。

此次優化技改首先以該風電場的風力發電機組為研究對象，根據風電場機組實際微觀選址，分析風紊流特性，針對現場機組葉片氣動響應和耦合特性，嵌入自主開發的精細化模型控制算法，完成軟件系統研發；其次，針對故障率高的問題，調研分析風電場機組運行狀態，進行系統的研究分析，發現和處理機組故障和潛在故障隱患，降低機組故障率和停機時間；最后，將優化的控制軟件應用于風電機組上，完成機組的優化和發電量提升。

精細化模型控制原理概述

該風電場機組在完成安裝、運行后，硬件（葉片、變槳和偏航系統、齒輪箱、發電機、變頻器、塔筒等）已固化，提高機組性能的有效辦法如：加長加寬葉片、提高輪轂高度、優化微觀選址等措施已很難采用。故考慮通過以下兩種途徑實現發電量的提升：

（1）采用精細化模型算法控制策略，變靜態單一參數控制為動態多參數協調控制，優化機組控制軟件，在機組安全平穩運行的基礎上實現發電量最大化。

（2）系統研究分析、及時發現和處理機組故障和潛在故障隱患，降低機組故障率和停機時間，提高機組可利用率。

在現有風電機組控制策略的基礎上，分析并研究國內外最先進風電技術，研發先進的機組控制策略和相應的軟件，研究內容包括：不同環境條件下來流風紊流特性、葉片氣動響應特性與氣動效率優化技術、葉輪、傳動鏈、發電機與變頻系統等各系統動態特性及其耦合特性、機組發電量最優自動跟蹤建模與算法等。以機組發電量最優為目標，研究具有多輸入多輸出變量強耦合性、系統結構嚴重非線性與不確定性以及系統參數的時變性特點的控制技術，建立仿真模型并進行仿真算法研究。以空氣動力學基礎理論和風紊流模型為起點，分析風電機組不同風況下的工作特性，在切入風速與額定風速之間，將優化控制技術應用于風力發電機組功率控制策略當中；采用精細化模型建立變槳控制函數，并結合經典PID控制策略，動態控制進行變槳調節，最大限度提高機組對風能的捕獲能力。

一、功率控制

將風電機組從葉輪獲得的能量，經過機械傳動后，折算到高速軸側，這個過程建立動態風能計算轉化模型進行控制。根據最大風能追蹤原理，應用優化控制方式，保證風電機組的風能利用率一直處于最佳水平。傳導至高速軸側的能量通過功率控制單元進行調節變換，通過控制發電機的轉速、轉矩等相關參數，使機組的發電量最大化。由于控制策略中是一些不連續的開關控制，為了盡量減輕和避免控制過程中出現的抖振現象，控制算法中引入了基于經驗的模糊化處理方式，將不連續信號連續化，以起到柔化控制系統的作用。圖1為風電機組功率控制結構示意圖。

二、變槳控制

為了使機組最有效地捕獲風能，采用了精細化模型對變槳系統進行控制。優化的變槳控制策略根據風速、環境溫度、壓強、發電機轉速、實時功率等多參數，并結合經典的PID控制算法，動態調節槳距，使機組對風能的利用率時刻處于最優狀態。風電機組變槳控制結構示意圖如圖2所示。

優化的變槳控制策略具有大范圍內跟蹤最佳Cp曲線的能力，自動尋找到適合的最優變槳角度。可以根據環境條件動態切換和調整參數，變靜態單一參數控制為動態多參數協調控制，有效地控制機組的轉速。對風的紊流特性、風與風輪葉片的動態作用與響應特性、機組傳動系統的動態響應特性、功率轉換與變頻系統的動態響應特性、電網動態特性及以上各特性間的耦合及解耦等方面進行優化控制，實現在保證發電機安全性和可靠性的前提下，使得機組的輸出功率處于最優。

機組現場運行狀態診斷、分析與治理

一、機組的全面普查

在風電機組優化之前，對機組進行全面檢查，確保風電機組優化后穩定運行。對風電場風資源、微觀選址等現場信息進行調研。對機組進行全面普查，包括機組硬件詳查和各子系統的診斷檢查，如：變槳系統、偏航系統、傳動鏈、發電機、變頻系統、并網系統、控制系統、通訊與網絡系統、SCADA系統、冷卻系統、后備電池組檢查、安全鏈檢查等。

二、歷史數據提取與分析

將SCADA服務器的機組運行數據進行備份，用于多發故障和潛在故障的系統檢測、分析與治理以及對后期優化效果評價提供數據支持。

通過分析機組歷史數據，提前發現不正常數據，及時分析原因排除問題，確定檢查目標，結合實際登機檢查，逐一排查故障點，給出解決辦法。如：齒輪箱溫度異常、控制柜溫度高的問題，現場及時發現并處理，使問題在第一時間得到解決，防止故障擴大化。

三、重點設備的檢測與整改

通過對風電場的調研，重點檢查機組前期的技改工作執行到位情況，對于執行不到位的，按照技改要求恢復到正確狀態。對現場機組運行狀態進行系統性分析，現場查看機組的實際狀態，發現并處理了一批普遍性問題，如：滑環相關故障、變槳通訊故障、剎車間隙故障、電池檢測失敗、發電機軸承損壞率高、齒輪箱油溫高等。通過對硬件電氣故障屏蔽情況的檢查，可以有針對性地檢查軟件參數設置是否被修改，徹底排除機組存在的故障信號屏蔽等問題。最終，使得機組恢復正常的運行狀態。

發電量提升效果評價

為了使發電量提升效果更為客觀，消除偶然因素和統計方法的誤差，下面采用兩種方法對發電效果進行評價：一種方法為11臺技改機組與6臺初步選定運行相對穩定的未技改機組對比；另一種方法為11臺技改機組與11臺未技改機組對比。其中第二種方法中未技改機組是按照歷史年發電量與技改機組最為相近的原則選取，為每一臺技改機組選擇一臺未技改機組進行對比，所以這種評價方法更具有代表性和針對性。發電量統計時間為技改完成前后一年，將技改前一年的數據定義為技改前機組狀態，將技改后一年的數據定義為技改后機組狀態。由于現場SCADA數據中存在數據丟失和數據失真的情況，故在去除這些無效數據后，按照日均機組發電量來統計發電量提升效果，可以消除因數據無效導致的統計誤差。

一、優化效果初步評價

根據現場機組歷史運行記錄，初步選定運行相對穩定的6臺機組作為對比機組，發電量統計如表1所示。

圖1 風電機組功率控制結構示意圖

圖2 變槳控制結構示意圖

按照以下方法計算發電量提升率：

技改前一年6臺對比機組日均發電量平均值：Xn

技改后一年6臺對比機組日均發電量平均值：Xn＋1

技改前一年11臺技改機組日均發電量平均值：Yn

技改后一年11臺技改機組日均發電量平均值：Yn＋1

經計算得出發電量提升率R＝7.10%

由圖3可以看到，技改后所有的機組發電量均高于技改前，但技改機組的發電量提升量明顯大于對比機組。從圖中發現第4臺對比機組和第7臺技改機組在技改前后發電量相差很大。如果不考慮這兩臺機組（10臺技改機組和5臺對比機組），按上述方法計算，可得到發電量提升率為12.23%。

二、選擇針對性對比機組進行評價

因為上文中提到的評價方法的標桿機組數量較少，無法進行有針對性的對比，所以此評價方法按照技改前三年的平均發電量，一對一選擇與技改機組發電量最相近的未技改機組作為對比機組，進行發電量評價。11臺技改機組及11臺對比機組在技改完成后一年時間發電量統計如表2所示。

統計的發電量的提升效果評價：總發電量提升＝（技改機組總發電量/對比機組總發電量－1）×100%＝7.04%

圖3 各機組在技改前后的日均發電量統計圖

圖4 技改前技改機組與對比機組歷史發電量對比圖

表1 發電量統計（一）

表2 發電量統計（二）

日均發電量提升＝（技改機組日均發電量/對比機組日均發電量－1）×100%＝7.98%

從統計結果可見按總發電量與日均發電量計算的發電量提升率差別較小，計算結果更具可信性。

從圖4可以看到，重新選擇的對比機組與技改機組的歷史發電水平基本一致，保證了對比前提的一致性，使得一對一對比更具有針對性。

從圖5可以看到，大多數技改機組的發電量高于對比機組，但有個別機組由于故障率相對較高，發電時間少等問題，造成發電量略少于對比機組?？傮w上看，技改機組的發電能力要好于對比機組。

三、功率散點圖對比

功率曲線是評價風力發電機組發電能力的一種重要方法，但該現場不具備按照國內相關標準進行功率曲線測量的條件，故本次評價僅按照已有的發電量、風速數據繪制功率散點圖進行對比。由于各機組的地理位置不同、環境情況不同、風速儀的測量誤差不同等多方面原因的影響，SCADA系統數據統計的功率散點圖僅具有參考意義。

以該現場某技改機組為例，其功率散點圖對比如下：

由于機組的風速儀未經過統一校準等客觀因素的存在，故統計結果存在一定的不確定性。僅從圖6和圖7的對比散點圖可以看出，技改機組超出其歷史水平和標桿機組的運行狀態。

結語

圖5 技改后技改機組與對比機組日均發電量對比圖

圖6 某技改機組技改前后對比

圖7 某技改機組與其標桿機組對比

該風電場進行的控制策略優化及發電量提升，在不改變已有硬件的基礎上，只對主控程序進行升級。經過1年多的實際運行，機組表現穩定，發電量提升效果明顯，通過對SCADA數據分析統計，發電量提升率在7%以上，充分說明了通過控制策略優化提升發電量的辦法有效可行。

（作者單位：殷宗林，肖振海：國華愛依斯（黃驊）風電有限公司；高英俊，劉春生，郝偉敏，李愛元，來建祥，張存佳，王磊：北京匯智天華科技有限公司）