基于集群相似的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航角度估值方法研究

崔 帥，陳 鋒，吉佳林，李玉麒

(烏魯木齊金風(fēng)天翼風(fēng)電有限公司，新疆 烏魯木齊 830026)

0 引言

近年來隨著世界各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排的重視程度不斷高漲，風(fēng)力發(fā)電在能源領(lǐng)域受重視程度也越來越高，中國(guó)提出到2030年風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦以上，非石化能源消費(fèi)比重達(dá)到25%左右的目標(biāo)[1]，這必將推動(dòng)風(fēng)電迎來新一輪快速增長(zhǎng)。在此背景下探索風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容錯(cuò)運(yùn)行技術(shù)，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可利用率、研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組智能監(jiān)測(cè)技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組亞健康狀態(tài)，減少發(fā)電量損失，對(duì)風(fēng)力發(fā)電具有積極意義。本文研究基于集群相似的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航角度估算方法，通過風(fēng)電場(chǎng)中其他相鄰機(jī)組來估算目標(biāo)機(jī)組偏航角度，預(yù)期達(dá)到兩個(gè)效果：①容錯(cuò)運(yùn)行，即當(dāng)機(jī)組風(fēng)向標(biāo)損壞，需要等待備品備件到貨時(shí)(根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)是否有存貨以及備件采購(gòu)地點(diǎn)及運(yùn)輸條件，一般需要一至數(shù)天時(shí)間)，采用估值偏航角度結(jié)合其他安全策略控制機(jī)組容錯(cuò)運(yùn)行，以盡可能減少發(fā)電損失；②實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，這是由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率輸出與葉輪掃風(fēng)面積的三次方成正比[2]，因此一旦機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常將影響機(jī)組發(fā)電量，通過比較估值偏航角度與實(shí)際偏航角度，發(fā)現(xiàn)偏航系統(tǒng)問題及時(shí)通知現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員進(jìn)行檢查，可減少由此帶來的機(jī)組發(fā)電量損失。

1 風(fēng)電場(chǎng)介紹

本文數(shù)據(jù)來源為中國(guó)西部某風(fēng)電場(chǎng)，電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組數(shù)量33臺(tái)，場(chǎng)內(nèi)地表狀況為戈壁溝壑。風(fēng)電場(chǎng)機(jī)位排布及地形狀況衛(wèi)星圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)機(jī)位排布及地形狀況衛(wèi)星圖

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航角度估值方法

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的功能是跟蹤風(fēng)向，驅(qū)動(dòng)機(jī)艙沿塔架中心線旋轉(zhuǎn)，盡可能確保葉輪掃風(fēng)平面與來流風(fēng)向垂直。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般采用主動(dòng)偏航控制，即由偏航電機(jī)帶動(dòng)機(jī)頭旋轉(zhuǎn)以使風(fēng)輪始終正對(duì)來風(fēng)[3]。整個(gè)偏航系統(tǒng)一般由風(fēng)向傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、偏航位置傳感器等部分組成，通常偏航位置由風(fēng)向傳感器配合其他參照物確定，本研究的目的是通過風(fēng)電場(chǎng)中臨近機(jī)組偏航位置來估算當(dāng)前風(fēng)機(jī)的偏航位置。用于估算偏航位置的數(shù)據(jù)可以是機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，也可以是SCADA數(shù)據(jù)，本研究中使用SCADA數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源探討一種基于集群相似的偏航角度估算方法。通過臨近機(jī)組偏航位置來估算當(dāng)前機(jī)組偏航位置的理論基礎(chǔ)是認(rèn)為風(fēng)電場(chǎng)空間分布遵循距離越相近，風(fēng)功率大小越相近[4]。在探討偏航估值算法時(shí)會(huì)遇到兩種情況：①風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組偏航坐標(biāo)與真北坐標(biāo)之間關(guān)系未知；②風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組偏航坐標(biāo)與真北坐標(biāo)之間關(guān)系已知。本文主要研究第一種情況，第二種情況為第一種情況的簡(jiǎn)化。

設(shè)風(fēng)電場(chǎng)給定數(shù)據(jù)集為：

(1)

按照公式(2)分別求解全場(chǎng)各機(jī)組實(shí)際偏航角度與目標(biāo)機(jī)組實(shí)際偏航角度的最優(yōu)真北角度轉(zhuǎn)換函數(shù)：

(2)

通過公式(2)求解得到gi(·)與hi(·)后，利用公式(3)求解通過第i臺(tái)機(jī)組實(shí)際偏航角度估算目標(biāo)機(jī)組偏航角度的估算函數(shù)fi(·)以及對(duì)應(yīng)的權(quán)重因子：

(3)

其中：fi(·)為與第i臺(tái)機(jī)組相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)機(jī)組偏航角度估算函數(shù)；ωs為與第i臺(tái)機(jī)組相對(duì)應(yīng)的風(fēng)速相關(guān)權(quán)重因子，本文取為0；ωt為與第i臺(tái)機(jī)組相對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度相關(guān)權(quán)重因子，本文取為0；ωst為與第i臺(tái)機(jī)組相對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)狀態(tài)相關(guān)權(quán)重因子。

接下來尋找與目標(biāo)機(jī)組相對(duì)應(yīng)的最佳相似機(jī)組，按照公式(4)依次計(jì)算第i臺(tái)機(jī)組與目標(biāo)機(jī)組的相似性判別因子E0i：

(4)

相似性判別因子E0i最小的機(jī)組就是目標(biāo)機(jī)組的最優(yōu)相似機(jī)組，取最優(yōu)相似機(jī)組的實(shí)際偏航角度θi，以及對(duì)應(yīng)的函數(shù)fi(·)、gi(·)和ωst，得到目標(biāo)機(jī)組的估值偏航角度計(jì)算公式：

θe=ωst·fi(gi(θi)).

(5)

3 估值誤差評(píng)估

為檢驗(yàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航角度估值算法的可行性，將風(fēng)電場(chǎng)32臺(tái)機(jī)組(全場(chǎng)33臺(tái)機(jī)組，其中一臺(tái)原始數(shù)據(jù)有問題)2019年1月～10月數(shù)據(jù)作為總數(shù)據(jù)集，將2019年1月19日～2019年4月31日的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)集用于求解估值函數(shù)， 將2019年5月1日～2019年10月19日數(shù)據(jù)作為測(cè)試集用于驗(yàn)證算法準(zhǔn)確度。

估值誤差Eθ采用式(6)進(jìn)行評(píng)估：

Eθ=θe-θ0.

(6)

其中：θ0為目標(biāo)機(jī)組實(shí)際偏航角度。

估值偏航角度對(duì)實(shí)際偏航角度的絕對(duì)平均誤差Eθa計(jì)算公式為:

(7)

由測(cè)試集數(shù)據(jù)得到的1#機(jī)組估值偏航角度與實(shí)際偏航角度誤差分布如圖2所示，全場(chǎng)機(jī)組估值偏航角度與實(shí)際偏航角度誤差分布及絕對(duì)平均誤差如圖3所示。

圖2 1#機(jī)組估值偏航角度與實(shí)際偏航角度誤差分布

圖3 全場(chǎng)機(jī)組估值偏航角度與實(shí)際偏航角度誤差分布及絕對(duì)平均誤差

4 實(shí)際應(yīng)用可能性探討

估值偏航角度潛在應(yīng)用場(chǎng)景有：

(1) 用于對(duì)偏航對(duì)風(fēng)系統(tǒng)異常狀態(tài)預(yù)警。當(dāng)估值偏航角度與實(shí)際偏航角度偏差維持在較大值時(shí)，可能預(yù)示機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常。

(2) 偏航對(duì)風(fēng)系統(tǒng)容錯(cuò)運(yùn)行。當(dāng)偏航對(duì)風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，使用估值偏航角度控制機(jī)組容錯(cuò)運(yùn)行。需要注意的是估值偏航角度與實(shí)際偏航角度是有偏差的，該偏差可能引起風(fēng)機(jī)載荷變化，已經(jīng)有文獻(xiàn)就此展開了較多研究，Li X等[5]研究了對(duì)風(fēng)偏差對(duì)海上風(fēng)機(jī)的影響并得出對(duì)風(fēng)偏差對(duì)風(fēng)機(jī)載荷影響很小的結(jié)論；Kragh等[6]還曾研究通過偏航誤差來降低載荷，并且得到在特定來流下引入大約-30°偏航偏差時(shí)葉片靜態(tài)載荷可減少70%以下的結(jié)論；Jeong等[7]研究發(fā)現(xiàn)偏航偏差會(huì)對(duì)水平軸風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)穩(wěn)定性帶來不利影響。基于以上研究建議在使用估值偏航角度做容錯(cuò)運(yùn)行時(shí)，首先需要根據(jù)機(jī)型配置進(jìn)行不同偏航偏差下運(yùn)行載荷的仿真分析。

5 結(jié)論及展望

基于風(fēng)電場(chǎng)(32臺(tái))將近一年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用集群相似偏航估值算法進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1) 全場(chǎng)32臺(tái)機(jī)組估值偏航角度與實(shí)際偏航角度絕對(duì)平均誤差均低于10°，絕對(duì)平均誤差5°以下的共20臺(tái)機(jī)組，占比62.5%。說明該估值算法具備用于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組對(duì)風(fēng)系統(tǒng)故障預(yù)警的潛力。

(2) 當(dāng)機(jī)組偏航系統(tǒng)發(fā)生故障后，采用估值偏航角度做容錯(cuò)運(yùn)行，需要對(duì)不同偏航偏差下機(jī)組運(yùn)行載荷進(jìn)行仿真分析，以進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

本研究中由于篇幅和算力限制，未引入風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等作為權(quán)重因子進(jìn)行分析，這是因?yàn)橐坏┮肭蠼鈺?huì)變得相當(dāng)復(fù)雜(在研究過程中已經(jīng)注意到引入風(fēng)速權(quán)重將會(huì)使結(jié)果誤差進(jìn)一步縮小)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解則會(huì)極大地影響求解速度且還會(huì)出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，這會(huì)是未來的一個(gè)研究方向。另外機(jī)組的位置也會(huì)對(duì)估值結(jié)果產(chǎn)生影響，這也是未來的研究方向。