關(guān)于低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化風(fēng)機(jī)控制策略的初步探討

鄔勇 李暢

摘 要：隨著2018年中國(guó)家能源局相繼發(fā)布了風(fēng)電和光伏新政，風(fēng)電“平價(jià)上網(wǎng)”時(shí)代即將到來，作為已投入運(yùn)營(yíng)的風(fēng)電大市場(chǎng)，如何提高風(fēng)機(jī)發(fā)電效率和可靠性，進(jìn)一步挖掘和分析風(fēng)機(jī)底層數(shù)據(jù)，提高設(shè)備轉(zhuǎn)換效率成為風(fēng)電運(yùn)營(yíng)商和主機(jī)廠家迎接“競(jìng)價(jià)上網(wǎng)”新時(shí)代的開拓方向，本文以一個(gè)風(fēng)電運(yùn)營(yíng)商的角度，對(duì)低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行方式優(yōu)化控制從偏航控制策略、暴風(fēng)控制策略和雙模運(yùn)行等三方面進(jìn)行初步探討和交流。

關(guān)鍵詞：運(yùn)行優(yōu)化;偏航控制;暴風(fēng)控制;雙模運(yùn)行

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主控系統(tǒng)在整個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，起著中心控制功能，如同大腦，在風(fēng)機(jī)整體機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過控制思想將變槳、變流有機(jī)的協(xié)調(diào)起來，是機(jī)組自動(dòng)發(fā)電控制的核心，其中偏航控制、暴風(fēng)控制以及運(yùn)行模式調(diào)整對(duì)風(fēng)電機(jī)組的載荷優(yōu)化、效率提升起著至關(guān)重要的作用，現(xiàn)從風(fēng)機(jī)運(yùn)行策略中偏航控制，暴風(fēng)控制、雙模運(yùn)行等方面提出新的控制思路。

一、偏航控制策略

偏航系統(tǒng)的作用是保持機(jī)艙與風(fēng)向一致，使風(fēng)機(jī)獲取更多風(fēng)能。風(fēng)電機(jī)組偏航的啟動(dòng)、停止以及偏航精準(zhǔn)度都會(huì)由偏航參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，所以給風(fēng)機(jī)合理的設(shè)置偏航參數(shù)是一項(xiàng)很困難卻很重要的事情。因?yàn)槠降臏?zhǔn)確性關(guān)系到了風(fēng)機(jī)的出力和機(jī)械磨損情況，如果設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)過大則導(dǎo)致實(shí)際風(fēng)向變化較小的情況下，偏航不動(dòng)作，從而使風(fēng)機(jī)葉輪掃風(fēng)面積減小，影響風(fēng)機(jī)出力，如果偏航設(shè)置過小，加上風(fēng)速、風(fēng)向不穩(wěn)定，會(huì)造成風(fēng)機(jī)不停止的啟動(dòng)偏航，增加解纜頻次，加速偏航剎車片、偏航驅(qū)動(dòng)裝置等機(jī)械部件磨損，減少風(fēng)機(jī)壽命，同時(shí)增加了風(fēng)機(jī)電量損失。

另外由于風(fēng)機(jī)的風(fēng)速計(jì)、風(fēng)向標(biāo)等傳感器往往安裝在葉輪之后，而風(fēng)在遇到遮擋后產(chǎn)生渦流會(huì)影響到風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)向和風(fēng)速的測(cè)量，由此帶來的偏航長(zhǎng)時(shí)間對(duì)風(fēng)不準(zhǔn)確，這不僅影響到風(fēng)機(jī)出力，同時(shí)會(huì)造成風(fēng)機(jī)側(cè)風(fēng)向工作，這樣不僅功率會(huì)受到影響而且長(zhǎng)時(shí)間受到一個(gè)從側(cè)面來的力量，使主軸偏移中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組載荷異常、主軸磨損，齒輪箱齒面磨損，發(fā)電機(jī)對(duì)中位移等更嚴(yán)重的問題。

因此對(duì)于風(fēng)機(jī)偏航參數(shù)設(shè)置需要結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)所處風(fēng)資源特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，特別低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)部分特殊地形、微氣象的風(fēng)電機(jī)組，其偏航控制策略更需要結(jié)合工況實(shí)際調(diào)整。目前通常采用的三種偏航控制策略如下：

1、固定參數(shù)偏航控制策略

以東方風(fēng)電某機(jī)型為例，設(shè)定偏航啟動(dòng)風(fēng)速為3m/s，當(dāng)風(fēng)速在6m/s及以下，機(jī)艙位置偏離風(fēng)向超過16°延時(shí)120s后進(jìn)行偏航對(duì)風(fēng)，當(dāng)風(fēng)速在7m/s以上，機(jī)艙位置偏離風(fēng)向超過8°延時(shí)60s后進(jìn)行偏航對(duì)風(fēng)。當(dāng)機(jī)艙位置偏離風(fēng)向超過25°則立即啟動(dòng)偏航對(duì)風(fēng)。

固定參數(shù)偏航控制通過積累風(fēng)能資源規(guī)律，不斷調(diào)整偏航控制合理的參數(shù)設(shè)置，最終摸索出風(fēng)機(jī)準(zhǔn)確及時(shí)捕獲風(fēng)向與設(shè)備機(jī)械磨損之間的平衡值。但由于參數(shù)控制固化并不適用于風(fēng)能資源特殊條件下的風(fēng)電機(jī)組。

2、爬山算法偏航控制

爬山算法的思路是：間隔一段時(shí)間發(fā)出機(jī)組偏航指令，同時(shí)在偏航過程中不間斷的對(duì)風(fēng)機(jī)輸出功率進(jìn)行測(cè)量，并將當(dāng)前測(cè)量功率P（n）與上一次的測(cè)量值P（n-1）進(jìn)行比較，如果功率下降超過設(shè)定值，則發(fā)出偏航反轉(zhuǎn)指令，如果功率上升超過設(shè)定值，則發(fā)出偏航正轉(zhuǎn)指令。

這類基于爬山算法的控制策略雖能提高風(fēng)機(jī)捕獲風(fēng)能的能力，但由于頻繁的尋找最大功率點(diǎn)易于形成過頻偏航，降低風(fēng)機(jī)壽命。

3、扇區(qū)偏航控制

針對(duì)于高山風(fēng)電場(chǎng)、場(chǎng)址區(qū)域地形復(fù)雜，受山地和懸崖的影響，風(fēng)向變化范圍大且頻繁，機(jī)組在傳統(tǒng)偏航策略下會(huì)頻繁跟蹤風(fēng)向，但往往由于偏航的滯后性，風(fēng)機(jī)偏航調(diào)整到位，風(fēng)向已發(fā)生變化，無法有效捕獲風(fēng)能。扇區(qū)偏航控制的思路是積累各風(fēng)機(jī)機(jī)位的風(fēng)能資源特點(diǎn)，通過摸索風(fēng)能資源風(fēng)向變化扇區(qū)大小和變化速率，結(jié)合機(jī)組的偏航速率進(jìn)行仿真計(jì)算，繪制一定主風(fēng)向扇區(qū)，當(dāng)來風(fēng)方向在主風(fēng)向扇區(qū)內(nèi)則減少偏航頻次。

扇區(qū)偏航策略雖對(duì)風(fēng)向變化較大的風(fēng)能資源提高了利用效率，但對(duì)于風(fēng)況穩(wěn)定的部分機(jī)群將會(huì)造成較嚴(yán)重的電量損失問題。

基于以上三種偏航控制策略存在的弊端，筆者提出新的偏航策略思路：基于現(xiàn)行通過偏航角度誤差調(diào)整偏航的控制策略基礎(chǔ)上，在大風(fēng)時(shí)段，一定偏航角度內(nèi)結(jié)合爬山控制算法，提高偏航捕風(fēng)效率和精度，同時(shí)優(yōu)化大風(fēng)時(shí)段風(fēng)機(jī)載荷，在小風(fēng)時(shí)段和風(fēng)向突變情況下以現(xiàn)有偏航策略基礎(chǔ)上結(jié)合扇區(qū)偏航控制策略，減少偏航次數(shù)，提高捕風(fēng)效率。

二、暴風(fēng)控制策略

目前市場(chǎng)主流的雙饋機(jī)型風(fēng)電機(jī)組高風(fēng)切出控制，即通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組極限載荷計(jì)算確定風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行風(fēng)速范圍。當(dāng)風(fēng)速超出安全運(yùn)行范圍，為確保風(fēng)機(jī)安全將機(jī)組切出停運(yùn)。

暴風(fēng)控制策略是結(jié)合風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)和載荷設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)組裕量，在切出風(fēng)速以后的部分風(fēng)速段下通過調(diào)整最佳的槳距，減輕機(jī)組載荷，提高機(jī)組運(yùn)行風(fēng)速范圍。在極限風(fēng)速條件下進(jìn)一步挖掘高風(fēng)速段的寶貴風(fēng)能資源的有效利用。

暴風(fēng)控制可利用仿真工具和模擬計(jì)算，模擬暴風(fēng)天氣下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的極限載荷，通過調(diào)整變槳和偏航控制策略，使風(fēng)機(jī)在安全的范圍內(nèi)減小結(jié)構(gòu)載荷，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性和可用性。

三、雙模運(yùn)行

所謂雙模運(yùn)行控制策略是指在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)上對(duì)并網(wǎng)硬件以及控制策略進(jìn)行一定調(diào)整，實(shí)現(xiàn)高速雙饋和高速鼠籠兩種模式切換運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)低風(fēng)時(shí)段風(fēng)能資源的有效利用。

以四川南部某風(fēng)電場(chǎng)東方風(fēng)電試驗(yàn)機(jī)型為例，在機(jī)組控制策略中設(shè)計(jì)高速鼠籠和雙饋兩種發(fā)電模式，低風(fēng)速段時(shí)將定子三相繞組短路，以高速鼠籠發(fā)電機(jī)組形式運(yùn)行，高風(fēng)速段時(shí)斷開短接接觸器切換為傳統(tǒng)雙饋發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，有效挖掘低風(fēng)速段風(fēng)能資源。即在0.7n0～1.17n0（n0為額定轉(zhuǎn)速）轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，按照高速雙饋模式運(yùn)行;在低于0.7n0時(shí)則按照高速鼠籠模式運(yùn)行。通過這兩種模式的切換，使得風(fēng)電機(jī)組能夠在盡可能大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行，從而確保風(fēng)輪在較大的范圍內(nèi)保持效率最優(yōu)，即風(fēng)輪CP最大。

據(jù)目前試驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察，雙模運(yùn)行機(jī)組能夠保持1.5m/s維持發(fā)電狀態(tài)，1.5m/s-4.5m/s風(fēng)速段比傳統(tǒng)雙饋機(jī)型功率曲線能提升11%左右。

結(jié) 語

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組控制策略的優(yōu)化與提升還有很多措施和方法，開展控制策略的優(yōu)化提升不僅能進(jìn)一步為風(fēng)電運(yùn)營(yíng)企業(yè)降本增效、提高設(shè)備可利用率，同時(shí)也是在未來智能化風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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[3] 四川省能投鹽邊新能源開發(fā)有限公司《故障處理手冊(cè)》.2018

作者簡(jiǎn)介：鄔勇（1974--），男，四川省能投鹽邊新能源開發(fā)有限公司、研究方向：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、四川省攀枝花市鹽邊縣紅格鎮(zhèn)

李暢（1991--），男，四川省能投鹽邊新能源開發(fā)有限公司、研究方向：風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維檢修、四川省攀枝花市鹽邊縣紅格鎮(zhèn)。