張　滔，朱守讓，王　偉，成月良（國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇南京210061）

故障風(fēng)機損失發(fā)電量估計方法的研究

張?zhí)希焓刈?，王偉，成月?br/>（國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇南京210061）

風(fēng)機的故障率對風(fēng)電場運行期間的經(jīng)濟效益有重要的影響。為了量化風(fēng)機故障所造成的經(jīng)濟損失，研究并提出了一種風(fēng)機故障停運期間損失發(fā)電量的估計方法，它優(yōu)先利用正常運行的風(fēng)機風(fēng)速估計故障風(fēng)機風(fēng)速，結(jié)合故障風(fēng)機的實際輸出功率特性曲線，估計出故障風(fēng)機的損失發(fā)電量。在估計方法的基礎(chǔ)上，給出了該方法在風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)中的實現(xiàn)，并對估計效果進行了驗證分析。

故障風(fēng)機；損失發(fā)電量；風(fēng)速；估計

風(fēng)能是一種清潔高效的能源，在保護生態(tài)環(huán)境、延緩全球氣候變暖等方面具有積極的意義，近年來在我國得到了大規(guī)模的快速發(fā)展［1］。然而風(fēng)電場投資巨大，風(fēng)電場經(jīng)濟效益方面的研究越來越受到重視［2］。文獻［3］的研究表明風(fēng)機故障率對風(fēng)電場的經(jīng)濟效益有重要影響，因此需要對風(fēng)機故障造成的經(jīng)濟損失進行量化評估。目前對故障風(fēng)機損失發(fā)電量進行估計的通常做法是參照正常運行的風(fēng)機估算發(fā)電量；或者估計故障風(fēng)機停運期間風(fēng)場的平均風(fēng)速，再計算發(fā)電量。文獻［4］對這2種方法進行了分析并指出了其誤差較大的缺陷。借助于利用風(fēng)速風(fēng)頻的weibull分布和風(fēng)機輸出功率曲線計算風(fēng)機發(fā)電量的思想［5，6］，文獻［4］提出了一種估計方法，該方法將風(fēng)電場測風(fēng)塔風(fēng)速作為故障風(fēng)機風(fēng)速估計值，利用風(fēng)機理論輸出功率曲線，獲取故障風(fēng)機故障期間損失發(fā)電量的一個估計。但是風(fēng)機理論輸出功率曲線和實際輸出功率曲線之間有著較大差距［7，8］，利用風(fēng)機理論輸出功率曲線進行功率估計將帶來較大誤差。其次受到測風(fēng)塔建設(shè)位置、風(fēng)電場大小、地形變化等因素影響，加上風(fēng)機尾流干擾［9］，測風(fēng)塔風(fēng)速與各臺風(fēng)機實際風(fēng)速之間存在較大誤差。文中在文獻［4］的基礎(chǔ)上提出了一種新的故障風(fēng)機損失發(fā)電量的估計方法。

1　估計方法的提出

針對文獻［4］所提方法不足，給出一個獲取風(fēng)機實際輸出功率曲線的方法，并采用該實際輸出功率曲線。估計風(fēng)速方面將優(yōu)先利用距離故障風(fēng)機最近的正常運行風(fēng)機風(fēng)速估計故障風(fēng)機風(fēng)速。

從風(fēng)機的歷史運行數(shù)據(jù)中可以提取一系列功率值p和與該功率值所對應(yīng)的風(fēng)速值v。這一系列對應(yīng)關(guān)系所組成的序?qū)Γ╬，v）構(gòu)成了一個離散的風(fēng)機實際輸出功率曲線。分段利用最小二乘法進行曲線擬合，便可以得到風(fēng)機的實際輸出功率曲線P（v）。（p，v）序?qū)?shù)據(jù)量越大，擬合出的實際輸出功率曲線越接近于真實。因此風(fēng)機實際輸出功率曲線獲取的過程是一個隨著風(fēng)機運行時間的增加，不斷加入新的運行數(shù)據(jù)進行擬合修正的過程。圖1對該過程進行了展示。

圖1　風(fēng)機實際輸出功率特性曲線生成過程

故障風(fēng)機的風(fēng)速可以利用地理位置距離故障風(fēng)機最近的風(fēng)機風(fēng)速表征，而不再使用測風(fēng)塔風(fēng)速，具體實現(xiàn)上可取地理位置最近的2臺風(fēng)機風(fēng)速的平均值，從而得到故障風(fēng)機故障期間風(fēng)速的一個估計。

需要考慮小概率的極端情況就是故障風(fēng)機周圍發(fā)生了大面積風(fēng)機故障，此時或者無法獲取距離故障風(fēng)機最近的正常運行風(fēng)機，或者搜尋到的正常運行風(fēng)機與故障風(fēng)機之間的距離大于測風(fēng)塔與故障風(fēng)機之間的距離。在該情況下，只能使用測風(fēng)塔風(fēng)速作為故障風(fēng)機風(fēng)速的估計。

綜上所述，文中所提的估計方法是利用正常運行的風(fēng)機風(fēng)速估計故障風(fēng)機風(fēng)速，結(jié)合故障風(fēng)機的實際輸出功率曲線，估計故障風(fēng)機的損失發(fā)電量，具體步驟如下：

（1）根據(jù)風(fēng)機地理信息，建立風(fēng)機無向圖模型；

（2）風(fēng)機發(fā)生故障停運時根據(jù)風(fēng)機的無向圖模型，試圖獲取地理位置距離故障風(fēng)機最近的2臺正常運行風(fēng)機；

（3）如果獲取成功，利用所獲取的風(fēng)機風(fēng)速對故障風(fēng)機故障期間所損失的發(fā)電量進行估計。

（4）如果獲取失敗，或者所獲取的風(fēng)機與故障風(fēng)機之間的距離大于測風(fēng)塔與故障風(fēng)機之間的距離，則利用測風(fēng)塔風(fēng)速對故障風(fēng)機故障期間所損失的發(fā)電量進行估計。

估計方法的流程如圖2所示。

圖2　故障風(fēng)機損失發(fā)電量估計方法流程

2　估計方法的分析描述

假設(shè)風(fēng)電場建設(shè)有n臺風(fēng)機，風(fēng)機編號為1～n，風(fēng)機ni表示編號為i的風(fēng)機，i∈［1，n］。

步驟（1）中風(fēng)機的無向圖模型以風(fēng)機作為圖的頂點，邊權(quán)重為風(fēng)機之間的物理距離，物理距離通過對風(fēng)機的經(jīng)緯度換算得到。

由于每2臺風(fēng)機之間的物理距離均構(gòu)成這2臺風(fēng)機之間一個帶有權(quán)重的邊，該無向圖是一個稠密圖，可以采用圖的鄰接矩陣來描述［10］。矩陣的下標為風(fēng)機的編號，內(nèi)容為風(fēng)機之間的物理距離。據(jù)上所述風(fēng)電場風(fēng)機的無向圖D如下：

式中：D為n維方陣，D［i］［j］=dij，表示風(fēng)機ni與風(fēng)機nj之間的物理距離，i，j∈［1，n］。增設(shè)2臺虛擬風(fēng)機nn+1和nn+2，風(fēng)機n1～nn中任意1臺風(fēng)機與虛擬風(fēng)機的距離為無窮大，即有：

增設(shè)1個測風(fēng)塔節(jié)點，節(jié)點編號設(shè)為n+3，則D［i］［n+3］=dit表示風(fēng)機nj與測風(fēng)塔之間的距離。由此可得最終的風(fēng)電場風(fēng)機的無向圖如下：

其中：D為n+3維方陣。

步驟（2）中，當(dāng)風(fēng)機nA在時間段t∈［t1，t2］發(fā)生故障停運時，根據(jù)無向圖模型試圖獲取地理位置距其最近的2臺正常運行風(fēng)機nB和nC。

初始時分別置風(fēng)機nB和nC為虛擬風(fēng)機nn+1和nn+2，隨后進行n次循環(huán)遍歷以更新風(fēng)機nB和nC，其中第i次（1≤i≤n）循環(huán)過程如下：

①如果風(fēng)機ni為風(fēng)機nA本身，則結(jié)束本輪循環(huán)并開始下一輪循環(huán)，否則進行步驟②。

②如果風(fēng)機ni在時間段t∈［t1，t2］內(nèi)正常運行，并且有D［ni］［nA］＜D［nB］［nA］，則置nB為nB=ni，結(jié)束本輪循環(huán)并開始下一輪循環(huán)，否則進行步驟③。

③如果風(fēng)機ni在時間段t∈［t1，t2］內(nèi)正常運行，并且有D［ni］［nA］＜D［nC］［nA］，則置nC為nC=ni，結(jié)束本輪循環(huán)并開始下一輪循環(huán)。

以上循環(huán)過程可由圖3表示。

圖3　距離故障風(fēng)機最近的風(fēng)機更新流程

循環(huán)結(jié)束后，對結(jié)果進行如下處理：如果有D［nB］［nA］＞D［nn+3］［nA］，則置nB=nn+3；如果有D［nC］［nA］＞D［nn+3］［nA］，則置nC=nn+3。

經(jīng)過以上處理后，nB和nC或者分別保存了距離故障風(fēng)機nA最近的2臺風(fēng)機，或者保存了測風(fēng)塔。

步驟（3）中，當(dāng)成功獲取距離故障風(fēng)機nA最近的2臺正常運行風(fēng)機nB和nC后，利用風(fēng)機nB和nC去估計故障風(fēng)機nA在故障期間t∈［t1，t2］內(nèi)的發(fā)電量。

在實現(xiàn)上故障風(fēng)機nA的風(fēng)速可取風(fēng)機nB和nC的平均風(fēng)速，即有：

式中：vA為故障風(fēng)機nA的估計風(fēng)速；vB（t）和vC（t）分別表示風(fēng)機nB和nC的實際風(fēng)速，t∈［t1，t2］。

假設(shè)根據(jù)圖1所獲得的故障風(fēng)機實際輸出功率曲線為PA（v），用下式描述［11，12］：

式中：vS為風(fēng)機的切入風(fēng)速；vE為風(fēng)機的切出風(fēng)速；v1，v2，…，vK為進行功率曲線分段擬合時的實際風(fēng)速；f1，f2，…，fK為各段對應(yīng)的曲線函數(shù)，可用多項式來描述［13，14］。

將故障風(fēng)機nA在時間段t∈［t1，t2］的風(fēng)速估計代入實際輸出功率曲線，并在該段時間內(nèi)進行積分，可得到風(fēng)機nA發(fā)電量估計值

將式（4）代入式（6），最終可得：

步驟（4）中，如果nB和nC中有一個是測風(fēng)塔，測風(fēng)塔風(fēng)速為 vt（t），則將式（7）中的 vB（t）或者 vC（t）用vt（t）替換即可。如果nB和nC均為測風(fēng)塔，則式（7）簡化為：

3　估計方法的實現(xiàn)與驗證

風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)收集了風(fēng)機全部的歷史及實時運行數(shù)據(jù)，按照文中所提方法對運行數(shù)據(jù)處理便可獲取風(fēng)機實際功率曲線。風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)對風(fēng)機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，可以感知風(fēng)機故障狀態(tài)變化。因此文中所提出的故障風(fēng)機損失發(fā)電量估計方法可在風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)中實現(xiàn)，具體可作為一個獨立的程序模塊存在。圖4給出了故障風(fēng)機損失發(fā)電量估計程序模塊的運行流程。

為了對文中所提出的故障風(fēng)機損失發(fā)電量估計方法進行進一步驗證，選取1臺正常運行的風(fēng)機并假定其為故障，風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)可以給出假定故障風(fēng)機的實際輸出功率曲線，如圖5所示。

擬合實際功率曲線的（p，v）數(shù)據(jù)對時間跨度為1 a，柱狀圖為該年內(nèi)風(fēng)速的風(fēng)頻。從該圖可以看出，風(fēng)機的實際功率曲線和理論功率曲線之間有較大的誤差，利用風(fēng)機理論功率曲線估計發(fā)電量會產(chǎn)生較大誤差。

圖4　程序模塊運行流程

圖5　風(fēng)機實際功率曲線

假定故障時間段選取為1 d，圖6給出了當(dāng)天假定故障風(fēng)機和通過文中的估計方法所搜尋到的距離該假定故障風(fēng)機最近的2臺正常運行風(fēng)機風(fēng)速，其中深色粗線為假定故障風(fēng)機風(fēng)速?？梢钥闯?條曲線重合度高，表明文中所提方法中的風(fēng)速估計方法是合理的。

圖6　風(fēng)機風(fēng)速曲線

作為對比，圖7給出了假定故障風(fēng)機的風(fēng)速和測風(fēng)塔風(fēng)速曲線。圖中深色粗線為假定故障風(fēng)機的風(fēng)速，另外一條曲線為測風(fēng)塔70 m高層風(fēng)速。從該圖中可以看出測風(fēng)塔風(fēng)速和風(fēng)機的風(fēng)速之間有較大誤差，不可以用測風(fēng)塔風(fēng)速作為風(fēng)機風(fēng)速的估計。

圖8給出了假定故障風(fēng)機當(dāng)天的實時發(fā)電量曲線，該臺風(fēng)機當(dāng)日發(fā)電量大約為6847 kW·h。

圖7　風(fēng)機和測風(fēng)塔風(fēng)速曲線

圖8　發(fā)電量曲線

按照圖4所示流程在風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)中實現(xiàn)故障風(fēng)機損失發(fā)電量估計功能，對該臺風(fēng)機的發(fā)電量進行估計，得到估計值為6.86 MW。對于上節(jié)步驟（4）的分支，由于只在極端情況下出現(xiàn)，并且已由文獻［4］詳細說明，本文不再對該步驟分支進行驗證。

4　結(jié)束語

對故障風(fēng)機故障期間損失發(fā)電量的估計問題進行了初步探索，提出了一種估計方法。文中方法利用正常運行的風(fēng)機風(fēng)速去估計故障風(fēng)機風(fēng)速，結(jié)合故障風(fēng)機的實際輸出功率曲線，對故障風(fēng)機的損失發(fā)電量進行估計。該方法給出的估計結(jié)果合理有效，易于工程實現(xiàn)，目前已經(jīng)在上海長江新能源有限公司風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)、江蘇中電投有限公司風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)等多個現(xiàn)場得到應(yīng)用。

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源發(fā)電監(jiān)控研究工作。

The Research on an Estimation Method of Power Generation Loss of the Fault Wind Turbine

ZHANG Tao，ZHU Shourang，WANG Wei，CHENG Yueliang
（NARI-TECH Control Systems Co.Ltd.，Nanjing 210061，China）

The economic benefits of wind farm is deeply affected by the failure rate of wind turbine.In order to quantify the economic losses caused by fault wind turbine，this paper proposes a method for evaluating power generation loss.This method is based on the fault wind turbine's real output power curve and estimated wind speed.The estimation of wind speed of fault turbine is based on the real wind speed of the nearest normal wind turbine.The realization of this method in wind turbine monitor system is presented，and the performance of the estimation method is verified.

the fault wind turbine；power generation loss；wind speed；estimation

TM315

A

1009-0665（2015）03-0030-04

2014-12-26；

2015-03-17

張?zhí)希?982），男，江蘇南京人，工程師，從事電力系統(tǒng)監(jiān)控、新能源發(fā)電監(jiān)控研究工作；

朱守讓（1969），男，江蘇徐州人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)監(jiān)控、新能源并網(wǎng)研究工作；

王偉（1967），男，江蘇金壇人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)監(jiān)控、新能源發(fā)電監(jiān)控研究工作；

成月良（1982），男，江蘇鹽城人，工程師，從事電力系統(tǒng)監(jiān)控、新能