多風力機偏航誤差角對輸出功率的影響分析

陽雪兵，韓嘉路，凌啟輝，王憲

（1.湖南科技大學風電機組運行數(shù)據(jù)挖掘與利用技術湖南省工程研究中心，湖南 湘潭 411201；2.哈電風能有限公司，湖南 湘潭 411102）

0 引言

風能是一種清潔無污染且是具有很大開發(fā)潛力的綠色能源。據(jù)統(tǒng)計，全世界已有很多國家致力于風電行業(yè)的發(fā)展，風能因此得到了廣泛的開發(fā)和利用，風電市場發(fā)展前景分析表明，在未來的很長一段時間內(nèi)，風電會在全球清潔能源方面做出巨大的貢獻，在能源供應體系中占據(jù)的位置越來越重要[1]。風能作為一種重要的能源，如果在風電行業(yè)推廣施行提高能源利用率的措施，那么全球可再生能源發(fā)電量將大大增加。

由于風向變化頻繁且隨機，整個風電機組穩(wěn)定高效運行的關鍵是控制技術, 主動偏航控制系統(tǒng)是水平軸風電機組控制系統(tǒng)的重要組成部分之一。因此，對于風電機組偏航系統(tǒng)控制方面的相關研究備受關注。文獻[2] ～[3]采用爬山算法控制偏航系統(tǒng)，一步步提高風電機組的輸出功率使其接近最大輸出功率；在文獻[4] ～[5]中提出了ART2-W和ART2-C偏航控制方法，能有效地提高對風精度，增加了風機的輸出功率；文獻[6] ～[7]設計了基于優(yōu)化卡爾曼濾波器的偏航控制算法，以使系統(tǒng)精準對風；文獻[8] ～[11]提出了基于模糊控制算法的偏航控制策略，使系統(tǒng)具有更好的追蹤性能，同時也改善了系統(tǒng)的性能；文獻[12]通過分析計算最大發(fā)電量時對應的系統(tǒng)延遲時間，作為偏航系統(tǒng)重啟對風的條件；文獻[13]提出了一種基于風向樣本相似度和支持向量機預測模型的風機偏航系統(tǒng)控制策略，該策略可大幅度提高對風精度。上述研究多集中在從控制算法方面去研究偏航系統(tǒng)重啟后如何高效精準地對風，但在什么工況下應該重啟偏航系統(tǒng)對風的相關研究較少，也沒有從數(shù)據(jù)分析方面去研究偏航系統(tǒng)的整體運行，因此我們可以考慮從數(shù)據(jù)方面去分析研究偏航系統(tǒng)的整體運行。

本文以某山地風電場中采用主動偏航系統(tǒng)的直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機組為研究對象，利用bin方法對SCADA系統(tǒng)采集的歷史運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算，分析了不同風速區(qū)間下的不同偏航誤差角絕對值δ的范圍對功率的影響，以此為機組偏航系統(tǒng)的運行和維護方面相關研究提供了參考依據(jù)。

1 偏航系統(tǒng)工作原理

自然界風向是經(jīng)常改變的，為保證風能利用效率和風力機使用壽命，水平軸風電機組的風輪掃掠面應盡量和風向保持垂直。偏航系統(tǒng)的基本功能就是跟蹤風向的變化驅(qū)動機艙圍繞塔架中心線旋轉(zhuǎn)，使得風輪掃掠面與風向保持垂直。

風力發(fā)電機組的偏航系統(tǒng)分為主動偏航系統(tǒng)和被動偏航系統(tǒng)兩類。被動偏航系統(tǒng)是指依靠風力通過相關機構(gòu)完成對風動作的偏航方式，主要用于中、小型風電機組，常見的有尾舵、舵輪和下風向3種；主動偏航是指采用電力或液壓拖動來完成對風動作的偏航方式，常見的有齒輪驅(qū)動和滑動2種方式。大型風電機組通常采用主動偏航的齒輪驅(qū)動形式。

典型的大型風電機組偏航系統(tǒng)主要由控制器、執(zhí)行機構(gòu)、檢測元件等部分組成。偏航系統(tǒng)工作流程如圖1所示。偏航系統(tǒng)的功能通常包括90°側(cè)風（停機時）、自動解纜、手動偏航、自動偏航。自動偏航是其中最為復雜、對風電機組性能影響最顯著的功能。

圖1 偏航系統(tǒng)工作流程

自動偏航控制策略分為兩個層面：1）由重啟對風策略決定什么條件下啟動自動偏航；2）由執(zhí)行對風策略決定如何高效準確地對風。為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性，大型風電機組一般采用較為簡單的重啟對風策略，即當風向偏差θ持續(xù)時間T均大于閾值θd時，啟動對風。對于平地風場，θd通常在8°左右取值，T通常在180 s左右取值。山地風場的局地風速和風向受地形影響更明顯，瞬時波動更大；為避免頻繁偏航造成主要部件疲勞，山地風場的θ和T取值更大（其中，θd通常取值為15°）。主流的執(zhí)行對風策略包括爬山算法、V-HC（Vane-Hill Climbing）算法等。

2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition,簡稱SCADA）技術己經(jīng)成熟,已廣泛應用于兆瓦級風電機組信息采集，風電機組SCADA系統(tǒng)是以計算機和傳感器為基礎，遠程連接每臺風機，對每臺風電機組進行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制的一種系統(tǒng)，可以實現(xiàn)風機遠程控制，以此來優(yōu)化機組的運行，其在風力發(fā)電領域有著相當重要的作用。此系統(tǒng)根據(jù)設定1 s、1 min或者10 min會記錄機組的一組運行參數(shù)，包括風速、風向、溫度、功率等在內(nèi)的80余項參數(shù)。

本研究采用的SCADA數(shù)據(jù)來源于中國南方某山地風電場的2 MW永磁直驅(qū)式風力機，其風輪直徑為96 m，切入風速為3 m/s，額定風速為11 m/s，輪轂轉(zhuǎn)速為6～17 r/min。S CADA 系統(tǒng)每10 min記錄一次以1 Hz的頻率采集的風力機狀態(tài)和外部環(huán)境參數(shù)平均值，風電場共有24個風力發(fā)電機組，本文使用了其中4個風力發(fā)電機組（WT #3、WT #12、WT #18 和WT #24）1 a的SCADA數(shù)據(jù)。

3 方法

3.1 數(shù)據(jù)的預處理

本文采用SCADA數(shù)據(jù)中的機艙氣象站風速、5 s偏航對風平均值、變頻器電網(wǎng)側(cè)有功功率進行統(tǒng)計計算分析，原始數(shù)據(jù)記錄了風電機組某年全年的運行數(shù)據(jù)，其中有正常狀態(tài)下的運行數(shù)據(jù)，也存在故障運行和停機狀態(tài)的數(shù)據(jù)，所以首先需要對數(shù)據(jù)進行篩選處理。由于風速小于4 m/s時，風電機組捕獲風能較低，對風機發(fā)電量影響很小，因而不作為研究對象。風速大于額定風速（11 m/s）時，不是風機運行時間的主要風速段，也不作為研究對象，只研究風速4～11 m/s的正常運行數(shù)據(jù)。

剔除如下非正常數(shù)據(jù)：1）風速小于4 m/s或者大于11 m/s的數(shù)據(jù)；2）變頻器電網(wǎng)側(cè)有功功率不大于0的數(shù)據(jù)；3）根據(jù)經(jīng)驗剔除劣化數(shù)據(jù)，風速區(qū)間4～7 m/s功率不大于20 kW的數(shù)據(jù)、區(qū)間6～8 m/s功率不大于50 kW的數(shù)據(jù)、區(qū)間8～11 m/s功率不大于100 kW的數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)單值化處理

風電機組偏航誤差與輸出功率存在復雜的多對多關系，直接分析非常不便，有必要選擇一種單值化數(shù)據(jù)處理方法揭示其內(nèi)在聯(lián)系。bin方法[14]是風電機組數(shù)據(jù)挖掘、性能評估中經(jīng)常使用的一種單值化處理方法，其有效性已經(jīng)被大量研究證實[15]。本研究也采用了這一方法對相關數(shù)據(jù)進行單值化處理。該法是將每一組的測試數(shù)據(jù)分組到相應的區(qū)間即bin（例如風速區(qū)間、溫度區(qū)間)中去，計算每個bin中的樣本數(shù)量和功率總和，最后根據(jù)研究的需要對每個bin中的數(shù)據(jù)進行相應的處理。

本文的研究目的是通過對機組的歷史運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算，分析不同偏航誤差角絕對值δ對功率的影響。為保證樣本量充足及研究具有一定的代表性，根據(jù)風電場某年每臺風機采集的數(shù)據(jù)量的多少和機位布置情況，選擇3#機組和12#機組兩臺風機作為研究對象。文中bin的確定分兩步：風速的劃分和偏航誤差角的劃分。風速區(qū)間的劃分標準是將風速段4～11 m/s，使用1 m/s間隔；偏航誤差角區(qū)間劃分標準：1）偏航誤差角絕對值δ滿足0≤δ≤6，采用1°間隔；2）6＜δ≤9為1個區(qū)間。計算每個bin的樣本數(shù)量與其功率總和，求出每個bin內(nèi)的平均值進行分析討論。

4 結(jié)果與討論

圖2（a）、圖2（b）分別為WT #3、WT #12機組的樣本散點圖，顯示了不同偏航誤差角絕對值時，輸出功率隨風速的變化情況，從圖中可以觀測到大量的數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析提供足夠的樣本量。

圖2 兩臺風機的樣本散點圖

圖3顯示了4臺機組偏航誤差角大小對輸出功率的影響結(jié)果，WT #3的7～10 m/s風速段，部分誤差角區(qū)間的功率差異明顯較大，其他風速段，偏航誤差角大小對功率影響不明顯;WT #12的6 ～8 m/s風速區(qū)間，部分誤差角區(qū)間的功率差異明顯較大，其他風速區(qū)間則相反;WT #18的7～10 m/s風速區(qū)間，部分誤差角區(qū)間的功率差異明顯較大，其他風速區(qū)間則相反;WT #24整體上看，偏航誤差角的不同對輸出功率的影響小，然而可以發(fā)現(xiàn)中間風速段的線段離散程度比其他部分更高些，說明中間風速段的偏航誤差角對功率的影響相比該機組其余風速段更明顯。

圖3 偏航誤差角對功率的影響

以WT #3、WT #12為例，放大功率相差較大的風速段，如圖4（a）、4（b）所示，從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)3號機組在7～10 m/s風速范圍內(nèi)，相同風速輸入，4＜δ≤9范圍內(nèi)功率明顯低于0≤δ≤4的功率，最大可達約110 kW，最小約26 kW；12號機組在6～8 m/s風速范圍內(nèi)，相同的風速輸入下，5＜δ≤9范圍內(nèi)的功率明顯比0≤δ≤5的功率小，最大可達約132 kW，最小約26 kW。

圖4 偏航誤差角對功率的影響

本文通過SCADA系統(tǒng)采集10 min/次的歷史運行數(shù)據(jù)，分析不同風速下的偏航誤差角大小對功率的影響。由圖可知，WT #3風速段4～7 m/s、10～11 m/s、WT #12風速段4～6 m/s、8～11 m/s及WT#18風速段4～7 m/s、10～11 m/s的數(shù)據(jù)表明部分風速段下，偏航誤差角的大小對功率的影響很小；部分誤差角區(qū)間的功率差異明顯較大的風速集中在各個機組中間風速段。 以WT #12為例，6～8 m/s風速范圍內(nèi)，差值最大達到了132 kW，且不同機組，功率差異顯著的風速范圍不完全相同。總的來講，從偏航系統(tǒng)整體運行數(shù)據(jù)來看，偏航誤差角越小，不完全意味著風機的出力性能越好。后續(xù)可以從調(diào)整偏航控制策略，增大偏航誤差角允許范圍的角度研究；偏航誤差角大小對功率影響的顯著差異集中在機組的中間風速段，且不同機組，功率差異顯著的風速段不同，可以根據(jù)各個機組的實際情況采取差異化設置參數(shù)的控制策略。

5 結(jié)論

目前風力發(fā)電機偏航系統(tǒng)研究多集中在從控制算法方面研究偏航系統(tǒng)重啟后如何高效精準地對風，對偏航系統(tǒng)在什么工況下應該重啟對風的相關研究較少，也沒有從數(shù)據(jù)方面分析研究偏航系統(tǒng)的整體運行。本文利用SCADA 系統(tǒng)每10 min采集一次的歷史數(shù)據(jù)，通過bin方法分析了不同風速下偏航誤差角與機組輸出功率的關系，從偏航系統(tǒng)整體運行數(shù)據(jù)來看，偏航誤差角越小，不完全意味著風機的出力性能越好，那么后期可以從調(diào)整偏航控制策略方面進一步研究，根據(jù)不同機組的實際情況和同一機組不同風速段采取差異化設置參數(shù)的控制策略，對偏航控制系統(tǒng)中偏航誤差允許范圍等參數(shù)進行設置。