文 | 殷宗林，肖振海，高英俊，劉春生，郝偉敏，李?lèi)?ài)元，來(lái)建祥，張存佳，王磊

產(chǎn)業(yè)

風(fēng)電機(jī)組控制策略優(yōu)化及發(fā)電量提升的研究與實(shí)踐

文 | 殷宗林，肖振海，高英俊，劉春生，郝偉敏，李?lèi)?ài)元，來(lái)建祥，張存佳，王磊

引言

某風(fēng)電場(chǎng)位于河北省境內(nèi)，場(chǎng)址海拔平均高度約為3m，地勢(shì)平坦，為廣闊的沿海平原，場(chǎng)區(qū)風(fēng)能資源豐富。風(fēng)電場(chǎng)共裝機(jī)66臺(tái)1.5MW風(fēng)電機(jī)組，于2010年6月投入商業(yè)運(yùn)行。該風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的控制策略相對(duì)簡(jiǎn)單粗糙，按單一的查表控制算法控制，存在最佳葉尖速比區(qū)范圍小、風(fēng)能捕獲少、轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩參數(shù)固定、環(huán)境溫度影響欠考慮、低風(fēng)速下無(wú)尋優(yōu)辨識(shí)功能等缺點(diǎn)，導(dǎo)致發(fā)電量無(wú)法快速跟隨功率曲線的設(shè)計(jì)要求；并且風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)期間未能做到對(duì)機(jī)組的精準(zhǔn)精細(xì)調(diào)整，運(yùn)行期間暴露出批次設(shè)計(jì)缺陷以及機(jī)組維護(hù)不到位等問(wèn)題，造成機(jī)組故障率高，風(fēng)能利用效率相對(duì)較低，使得整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量偏低，嚴(yán)重影響風(fēng)電場(chǎng)效益。

此次優(yōu)化技改首先以該風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組實(shí)際微觀選址，分析風(fēng)紊流特性，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組葉片氣動(dòng)響應(yīng)和耦合特性，嵌入自主開(kāi)發(fā)的精細(xì)化模型控制算法，完成軟件系統(tǒng)研發(fā)；其次，針對(duì)故障率高的問(wèn)題，調(diào)研分析風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行系統(tǒng)的研究分析，發(fā)現(xiàn)和處理機(jī)組故障和潛在故障隱患，降低機(jī)組故障率和停機(jī)時(shí)間；最后，將優(yōu)化的控制軟件應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組上，完成機(jī)組的優(yōu)化和發(fā)電量提升。

精細(xì)化模型控制原理概述

該風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組在完成安裝、運(yùn)行后，硬件（葉片、變槳和偏航系統(tǒng)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變頻器、塔筒等）已固化，提高機(jī)組性能的有效辦法如：加長(zhǎng)加寬葉片、提高輪轂高度、優(yōu)化微觀選址等措施已很難采用。故考慮通過(guò)以下兩種途徑實(shí)現(xiàn)發(fā)電量的提升：

（1）采用精細(xì)化模型算法控制策略，變靜態(tài)單一參數(shù)控制為動(dòng)態(tài)多參數(shù)協(xié)調(diào)控制，優(yōu)化機(jī)組控制軟件，在機(jī)組安全平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)發(fā)電量最大化。

（2）系統(tǒng)研究分析、及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理機(jī)組故障和潛在故障隱患，降低機(jī)組故障率和停機(jī)時(shí)間，提高機(jī)組可利用率。

在現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組控制策略的基礎(chǔ)上，分析并研究國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)風(fēng)電技術(shù)，研發(fā)先進(jìn)的機(jī)組控制策略和相應(yīng)的軟件，研究?jī)?nèi)容包括：不同環(huán)境條件下來(lái)流風(fēng)紊流特性、葉片氣動(dòng)響應(yīng)特性與氣動(dòng)效率優(yōu)化技術(shù)、葉輪、傳動(dòng)鏈、發(fā)電機(jī)與變頻系統(tǒng)等各系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及其耦合特性、機(jī)組發(fā)電量最優(yōu)自動(dòng)跟蹤建模與算法等。以機(jī)組發(fā)電量最優(yōu)為目標(biāo)，研究具有多輸入多輸出變量強(qiáng)耦合性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重非線性與不確定性以及系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)變性特點(diǎn)的控制技術(shù)，建立仿真模型并進(jìn)行仿真算法研究。以空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論和風(fēng)紊流模型為起點(diǎn)，分析風(fēng)電機(jī)組不同風(fēng)況下的工作特性，在切入風(fēng)速與額定風(fēng)速之間，將優(yōu)化控制技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率控制策略當(dāng)中；采用精細(xì)化模型建立變槳控制函數(shù)，并結(jié)合經(jīng)典PID控制策略，動(dòng)態(tài)控制進(jìn)行變槳調(diào)節(jié)，最大限度提高機(jī)組對(duì)風(fēng)能的捕獲能力。

一、功率控制

將風(fēng)電機(jī)組從葉輪獲得的能量，經(jīng)過(guò)機(jī)械傳動(dòng)后，折算到高速軸側(cè)，這個(gè)過(guò)程建立動(dòng)態(tài)風(fēng)能計(jì)算轉(zhuǎn)化模型進(jìn)行控制。根據(jù)最大風(fēng)能追蹤原理，應(yīng)用優(yōu)化控制方式，保證風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用率一直處于最佳水平。傳導(dǎo)至高速軸側(cè)的能量通過(guò)功率控制單元進(jìn)行調(diào)節(jié)變換，通過(guò)控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等相關(guān)參數(shù)，使機(jī)組的發(fā)電量最大化。由于控制策略中是一些不連續(xù)的開(kāi)關(guān)控制，為了盡量減輕和避免控制過(guò)程中出現(xiàn)的抖振現(xiàn)象，控制算法中引入了基于經(jīng)驗(yàn)的模糊化處理方式，將不連續(xù)信號(hào)連續(xù)化，以起到柔化控制系統(tǒng)的作用。圖1為風(fēng)電機(jī)組功率控制結(jié)構(gòu)示意圖。

二、變槳控制

為了使機(jī)組最有效地捕獲風(fēng)能，采用了精細(xì)化模型對(duì)變槳系統(tǒng)進(jìn)行控制。優(yōu)化的變槳控制策略根據(jù)風(fēng)速、環(huán)境溫度、壓強(qiáng)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、實(shí)時(shí)功率等多參數(shù)，并結(jié)合經(jīng)典的PID控制算法，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)槳距，使機(jī)組對(duì)風(fēng)能的利用率時(shí)刻處于最優(yōu)狀態(tài)。風(fēng)電機(jī)組變槳控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

優(yōu)化的變槳控制策略具有大范圍內(nèi)跟蹤最佳Cp曲線的能力，自動(dòng)尋找到適合的最優(yōu)變槳角度。可以根據(jù)環(huán)境條件動(dòng)態(tài)切換和調(diào)整參數(shù)，變靜態(tài)單一參數(shù)控制為動(dòng)態(tài)多參數(shù)協(xié)調(diào)控制，有效地控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速。對(duì)風(fēng)的紊流特性、風(fēng)與風(fēng)輪葉片的動(dòng)態(tài)作用與響應(yīng)特性、機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、功率轉(zhuǎn)換與變頻系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性及以上各特性間的耦合及解耦等方面進(jìn)行優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)在保證發(fā)電機(jī)安全性和可靠性的前提下，使得機(jī)組的輸出功率處于最優(yōu)。

機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)診斷、分析與治理

一、機(jī)組的全面普查

在風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化之前，對(duì)機(jī)組進(jìn)行全面檢查，確保風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化后穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源、微觀選址等現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行調(diào)研。對(duì)機(jī)組進(jìn)行全面普查，包括機(jī)組硬件詳查和各子系統(tǒng)的診斷檢查，如：變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、傳動(dòng)鏈、發(fā)電機(jī)、變頻系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通訊與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、后備電池組檢查、安全鏈檢查等。

二、歷史數(shù)據(jù)提取與分析

將SCADA服務(wù)器的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，用于多發(fā)故障和潛在故障的系統(tǒng)檢測(cè)、分析與治理以及對(duì)后期優(yōu)化效果評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支持。

通過(guò)分析機(jī)組歷史數(shù)據(jù)，提前發(fā)現(xiàn)不正常數(shù)據(jù)，及時(shí)分析原因排除問(wèn)題，確定檢查目標(biāo)，結(jié)合實(shí)際登機(jī)檢查，逐一排查故障點(diǎn)，給出解決辦法。如：齒輪箱溫度異常、控制柜溫度高的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，使問(wèn)題在第一時(shí)間得到解決，防止故障擴(kuò)大化。

三、重點(diǎn)設(shè)備的檢測(cè)與整改

通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)研，重點(diǎn)檢查機(jī)組前期的技改工作執(zhí)行到位情況，對(duì)于執(zhí)行不到位的，按照技改要求恢復(fù)到正確狀態(tài)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)性分析，現(xiàn)場(chǎng)查看機(jī)組的實(shí)際狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)并處理了一批普遍性問(wèn)題，如：滑環(huán)相關(guān)故障、變槳通訊故障、剎車(chē)間隙故障、電池檢測(cè)失敗、發(fā)電機(jī)軸承損壞率高、齒輪箱油溫高等。通過(guò)對(duì)硬件電氣故障屏蔽情況的檢查，可以有針對(duì)性地檢查軟件參數(shù)設(shè)置是否被修改，徹底排除機(jī)組存在的故障信號(hào)屏蔽等問(wèn)題。最終，使得機(jī)組恢復(fù)正常的運(yùn)行狀態(tài)。

發(fā)電量提升效果評(píng)價(jià)

為了使發(fā)電量提升效果更為客觀，消除偶然因素和統(tǒng)計(jì)方法的誤差，下面采用兩種方法對(duì)發(fā)電效果進(jìn)行評(píng)價(jià)：一種方法為11臺(tái)技改機(jī)組與6臺(tái)初步選定運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定的未技改機(jī)組對(duì)比；另一種方法為11臺(tái)技改機(jī)組與11臺(tái)未技改機(jī)組對(duì)比。其中第二種方法中未技改機(jī)組是按照歷史年發(fā)電量與技改機(jī)組最為相近的原則選取，為每一臺(tái)技改機(jī)組選擇一臺(tái)未技改機(jī)組進(jìn)行對(duì)比，所以這種評(píng)價(jià)方法更具有代表性和針對(duì)性。發(fā)電量統(tǒng)計(jì)時(shí)間為技改完成前后一年，將技改前一年的數(shù)據(jù)定義為技改前機(jī)組狀態(tài)，將技改后一年的數(shù)據(jù)定義為技改后機(jī)組狀態(tài)。由于現(xiàn)場(chǎng)SCADA數(shù)據(jù)中存在數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)失真的情況，故在去除這些無(wú)效數(shù)據(jù)后，按照日均機(jī)組發(fā)電量來(lái)統(tǒng)計(jì)發(fā)電量提升效果，可以消除因數(shù)據(jù)無(wú)效導(dǎo)致的統(tǒng)計(jì)誤差。

一、優(yōu)化效果初步評(píng)價(jià)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組歷史運(yùn)行記錄，初步選定運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定的6臺(tái)機(jī)組作為對(duì)比機(jī)組，發(fā)電量統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖1 風(fēng)電機(jī)組功率控制結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 變槳控制結(jié)構(gòu)示意圖

按照以下方法計(jì)算發(fā)電量提升率：

技改前一年6臺(tái)對(duì)比機(jī)組日均發(fā)電量平均值：Xn

技改后一年6臺(tái)對(duì)比機(jī)組日均發(fā)電量平均值：Xn＋1

技改前一年11臺(tái)技改機(jī)組日均發(fā)電量平均值：Yn

技改后一年11臺(tái)技改機(jī)組日均發(fā)電量平均值：Yn＋1

經(jīng)計(jì)算得出發(fā)電量提升率R＝7.10%

由圖3可以看到，技改后所有的機(jī)組發(fā)電量均高于技改前，但技改機(jī)組的發(fā)電量提升量明顯大于對(duì)比機(jī)組。從圖中發(fā)現(xiàn)第4臺(tái)對(duì)比機(jī)組和第7臺(tái)技改機(jī)組在技改前后發(fā)電量相差很大。如果不考慮這兩臺(tái)機(jī)組（10臺(tái)技改機(jī)組和5臺(tái)對(duì)比機(jī)組），按上述方法計(jì)算，可得到發(fā)電量提升率為12.23%。

二、選擇針對(duì)性對(duì)比機(jī)組進(jìn)行評(píng)價(jià)

因?yàn)樯衔闹刑岬降脑u(píng)價(jià)方法的標(biāo)桿機(jī)組數(shù)量較少，無(wú)法進(jìn)行有針對(duì)性的對(duì)比，所以此評(píng)價(jià)方法按照技改前三年的平均發(fā)電量，一對(duì)一選擇與技改機(jī)組發(fā)電量最相近的未技改機(jī)組作為對(duì)比機(jī)組，進(jìn)行發(fā)電量評(píng)價(jià)。11臺(tái)技改機(jī)組及11臺(tái)對(duì)比機(jī)組在技改完成后一年時(shí)間發(fā)電量統(tǒng)計(jì)如表2所示。

統(tǒng)計(jì)的發(fā)電量的提升效果評(píng)價(jià)：總發(fā)電量提升＝（技改機(jī)組總發(fā)電量/對(duì)比機(jī)組總發(fā)電量－1）×100%＝7.04%

圖3 各機(jī)組在技改前后的日均發(fā)電量統(tǒng)計(jì)圖

圖4 技改前技改機(jī)組與對(duì)比機(jī)組歷史發(fā)電量對(duì)比圖

表1 發(fā)電量統(tǒng)計(jì)（一）

表2 發(fā)電量統(tǒng)計(jì)（二）

日均發(fā)電量提升＝（技改機(jī)組日均發(fā)電量/對(duì)比機(jī)組日均發(fā)電量－1）×100%＝7.98%

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見(jiàn)按總發(fā)電量與日均發(fā)電量計(jì)算的發(fā)電量提升率差別較小，計(jì)算結(jié)果更具可信性。

從圖4可以看到，重新選擇的對(duì)比機(jī)組與技改機(jī)組的歷史發(fā)電水平基本一致，保證了對(duì)比前提的一致性，使得一對(duì)一對(duì)比更具有針對(duì)性。

從圖5可以看到，大多數(shù)技改機(jī)組的發(fā)電量高于對(duì)比機(jī)組，但有個(gè)別機(jī)組由于故障率相對(duì)較高，發(fā)電時(shí)間少等問(wèn)題，造成發(fā)電量略少于對(duì)比機(jī)組?？傮w上看，技改機(jī)組的發(fā)電能力要好于對(duì)比機(jī)組。

三、功率散點(diǎn)圖對(duì)比

功率曲線是評(píng)價(jià)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電能力的一種重要方法，但該現(xiàn)場(chǎng)不具備按照國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行功率曲線測(cè)量的條件，故本次評(píng)價(jià)僅按照已有的發(fā)電量、風(fēng)速數(shù)據(jù)繪制功率散點(diǎn)圖進(jìn)行對(duì)比。由于各機(jī)組的地理位置不同、環(huán)境情況不同、風(fēng)速儀的測(cè)量誤差不同等多方面原因的影響，SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的功率散點(diǎn)圖僅具有參考意義。

以該現(xiàn)場(chǎng)某技改機(jī)組為例，其功率散點(diǎn)圖對(duì)比如下：

由于機(jī)組的風(fēng)速儀未經(jīng)過(guò)統(tǒng)一校準(zhǔn)等客觀因素的存在，故統(tǒng)計(jì)結(jié)果存在一定的不確定性。僅從圖6和圖7的對(duì)比散點(diǎn)圖可以看出，技改機(jī)組超出其歷史水平和標(biāo)桿機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

結(jié)語(yǔ)

圖5 技改后技改機(jī)組與對(duì)比機(jī)組日均發(fā)電量對(duì)比圖

圖6 某技改機(jī)組技改前后對(duì)比

圖7 某技改機(jī)組與其標(biāo)桿機(jī)組對(duì)比

該風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行的控制策略優(yōu)化及發(fā)電量提升，在不改變已有硬件的基礎(chǔ)上，只對(duì)主控程序進(jìn)行升級(jí)。經(jīng)過(guò)1年多的實(shí)際運(yùn)行，機(jī)組表現(xiàn)穩(wěn)定，發(fā)電量提升效果明顯，通過(guò)對(duì)SCADA數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，發(fā)電量提升率在7%以上，充分說(shuō)明了通過(guò)控制策略優(yōu)化提升發(fā)電量的辦法有效可行。

（作者單位：殷宗林，肖振海：國(guó)華愛(ài)依斯（黃驊）風(fēng)電有限公司；高英俊，劉春生，郝偉敏，李?lèi)?ài)元，來(lái)建祥，張存佳，王磊：北京匯智天華科技有限公司）