廖雪松 劉楠 董燕 鄧雨 莫蕊瑜

風電行業(yè)進入平價時代后，需要以更低的成本獲得更高的發(fā)電量，“長葉片、大功率、高塔筒”成為風電機組的發(fā)展趨勢。如何在更長、更大、更高的條件下控制成本與可靠性，成為目前行業(yè)面臨的共同課題。

葉片是風電機組主要的受力載體，為滿足行業(yè)發(fā)展的需求，其加長和輕柔設計成為風電機組設計的主要方向。但是風輪直徑越大，塔影效應對載荷的影響也越明顯，影響風輪旋轉的不平衡度，對葉片、輪轂、主軸、偏航軸承、塔架等風電機組關鍵部件造成很大的疲勞載荷。而隨著葉片柔性的增加，產(chǎn)生的形變越來越大，降低了風電機組的凈空值，在某些極端工況下，可能會引發(fā)掃塔的風險。此外，還存在諸如尾流、塔筒方位標定精度不高、塔筒固有頻率偏離等問題。受這些問題的影響，傳統(tǒng)控制方式無法使機組性能達到最優(yōu)。

有鑒于此，中國海裝從系統(tǒng)角度出發(fā)針對風電機組的感知能力進行了專項研究，在風電機組全域感知的基礎上，設計了一套智能風電機組平臺。通過該平臺可以監(jiān)測葉片凈空、計算塔筒固有頻率、控制尾流，從而系統(tǒng)解決大型化機組所面臨的各種問題，提高機組運行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。

基于全域感知的智能風電機組平臺

智能風電機組平臺的結構與拓撲如圖1、圖2所示。該平臺不僅可以打造具有自感知、自適應、自學習、自控制能力的智能風電機組，同時還可搭配場站級協(xié)同控制系統(tǒng)，實現(xiàn)風電場內機組間的協(xié)同控制，其具備的主要功能如下：

（1）全域傳感系統(tǒng)：主控系統(tǒng)部署實時數(shù)據(jù)預處理邏輯，并通過總線與傳感系統(tǒng)實時通信，實現(xiàn)對機組實時狀態(tài)或環(huán)境的檢測，保證機組穩(wěn)定運行。

（2）單機智能控制平臺：部署用于單機高密度數(shù)據(jù)分析的復雜模型，單機智能控制平臺與主控系統(tǒng)直接通信，根據(jù)模型計算結果向主控傳輸預警信息，主控系統(tǒng)根據(jù)預警級別執(zhí)行對應邏輯。

（3）場站協(xié)同控制系統(tǒng)：通過SCADA秒級數(shù)據(jù)，利用相鄰或區(qū)域機組數(shù)據(jù)的相關性，實現(xiàn)風電機組數(shù)據(jù)補償及數(shù)據(jù)共享。

智能風電機組平臺技術

智能風電機組平臺由單機智能控制系統(tǒng)和場站協(xié)同控制系統(tǒng)構成。其中，單機智能控制系統(tǒng)主要包含葉片智能感知、機艙智能感知、CMS系統(tǒng)監(jiān)測等全域感知預警技術以及單機智能控制技術等；場站協(xié)同控制系統(tǒng)主要包含尾流控制技術等。

一、葉片智能感知系統(tǒng)

（一）葉片凈空測量

針對葉片柔性增加帶來的葉片凈空問題，平臺提供了一種基于凈空監(jiān)測的控制技術，保證葉片凈空的安全。

凈空測量基于雷達波測量距離的原理，建立了塔筒中線的坐標軸，實現(xiàn)對風電機組凈空的測量，其原理如圖3所示。通過對傳感器進行現(xiàn)場測試和標定，為風電機組新增了監(jiān)測葉片與塔筒間距離的功能，系統(tǒng)的測量精度為0.33m，極大避免了機組出現(xiàn)葉片掃塔的可能，提高機組的可靠性。如圖4所示，在廣西某風電場開展了葉片凈空測試。測試結果表明，該凈空監(jiān)測方案準確實現(xiàn)了對凈空的安全監(jiān)測。

（二）葉根載荷測量

為降低機組載荷，提高機組的安全性，平臺基于中國海裝對風電機組降載控制技術的研究，提供了基于葉根載荷傳感器載荷信號的極限載荷控制策略。其原理如圖5所示。

通過葉根載荷傳感器引入葉根載荷信號，將葉片揮舞力矩解耦到輪轂上，對點頭和傾覆力矩分別實現(xiàn)閉環(huán)控制，最終輸出3支葉片各自的變槳角度，實現(xiàn)3支葉片間的差異化變槳，進而有效減小風輪面內不平衡載荷，實現(xiàn)葉根載荷的降低。

如圖6所示，在新疆某風電場開展了葉根載荷傳感器測試。測試結果表明，該葉根載荷傳感器方案準確實現(xiàn)了對葉根載荷的監(jiān)測。

同時，在風電場對葉根極限載荷控制技術進行了現(xiàn)場測試。測試結果表明，該控制技術可降低機組載荷，提高機組的安全性。具體測試結果為：

（1）極限載荷：輪轂Myz降低12%，葉根Mxy降低6%。

（2）疲勞載荷：固定輪轂My降低12%，旋轉輪轂My降低25%，葉根載荷My降低15%。

二、機艙智能感知系統(tǒng)

（一）衛(wèi)星信號應用

為了解決扇區(qū)管理、尾流控制中機艙絕對方位和坐標測量精度不高的問題，平臺通過在風電機組上應用衛(wèi)星定位信號實現(xiàn)了對機艙的高精準定位。

通過衛(wèi)星系統(tǒng)的現(xiàn)場標定，對機組進行±360°旋轉后，可以將塔筒中心位置與衛(wèi)星信號進行關聯(lián)，將衛(wèi)星信號轉換為塔筒中心位移，實現(xiàn)對機組塔筒中心位移距離的直接測量。

如圖7所示，在重慶某風電場開展了衛(wèi)星信號應用現(xiàn)場測試。測試結果（如圖8）表明，該衛(wèi)星信號應用方案準確實現(xiàn)了對塔筒中心點軌跡的監(jiān)測。

通過衛(wèi)星信號的應用，將機組中心軌跡測量分辨率提高到厘米級、機艙方位監(jiān)視分辨率提高到0.1°，有效提高了扇區(qū)管理控制、尾流控制的可靠性，并為機組的塔架載荷反演計算提供了高分辨率、高精度的中心軌跡信號（如圖9）。

（二）激光雷達前饋

平臺利用激光雷達測量技術，解決風速儀被動感知且滯后于實際來流的風速測量問題。其控制原理如圖10所示。

基于風輪前端不同距離、多個位置上的風速變化信息，使用重構算法準確得到機組未來即將面臨的風況，在不改變原有控制邏輯的基礎上，根據(jù)激光雷達測量的超前風況數(shù)據(jù)，充分考慮機組模型與實際情況存在的差別等情況，采用變槳角度增量補償、偏航角度增量補償?shù)确绞竭M行控制，對目前控制參數(shù)進行優(yōu)化，進而提高機組安全性及穩(wěn)定性，延長機組壽命，提高全壽命周期內收益。

在新疆某風電場開展了激光雷達測量的現(xiàn)場測試。測試結果表明，該激光雷達測量方案準確實現(xiàn)了對超前風況的監(jiān)測。同時，對激光雷達前饋控制技術進行的現(xiàn)場測試結果（如圖11）表明，該技術可綜合降低機組關鍵點載荷5%～10%，提升機組發(fā)電量水平1%～3%。

三、智能控制技術

（一）偏航自適應控制

智能風電機組平臺基于中國海裝研發(fā)的一種偏航自適應控制技術，可根據(jù)機組歷史運行數(shù)據(jù)，通過自學習功能，對單臺機組的實際運行狀態(tài)采用峰值尋優(yōu)的控制策略。通過修訂及智能對比偏航控制參數(shù)，將優(yōu)化后的參數(shù)自動下發(fā)到主控系統(tǒng)，更新主控系統(tǒng)的實時運行參數(shù)，實現(xiàn)偏航控制的自適應及對機組的精確控制。

在山西某山地風電場進行偏航自適應控制測試，通過同期數(shù)據(jù)分析得到原偏航策略和自適應偏航策略控制精度對比結果。測試結果（如圖12）表明，自適應偏航策略在低風向偏差處對風精度有較高的提升。此外，優(yōu)化后偏航次數(shù)也得到一定的降低（見表1）。

（二）塔筒頻率在線計算

海上風電機組的基礎與陸上風電機組基礎不同，其受安裝環(huán)境，如海水沖刷、洋流方向變化等因素的影響較大，海上風電機組塔筒固有頻率通常與設計值有一定的偏差。平臺基于中國海裝開發(fā)的一種塔筒振動頻率在線計算及機組特征頻率提取技術，通過識別出頻譜圖中的區(qū)域性峰值，自動計算并查找出塔筒振動的特征頻率，實現(xiàn)塔筒頻率在線計算及自動提?。ㄈ鐖D13）的功能。

通過塔筒頻率自動提取功能，能順利找到機組的塔筒固有頻率、傳動鏈固有頻率等特征頻率值，準確度能達到0.01Hz，分析最高頻率為5Hz，并通過智能對比算法，準確利用提取的特征頻率值對控制參數(shù)進行在線自動修正，提高了機組運行的穩(wěn)定性。

四、場群尾流控制

尾流是由于風輪阻擋了氣流流動，導致機組下游風速有一定程度的減弱，湍流強度有一定的增加，影響下游機組的發(fā)電能效。為解決尾流給風電機組帶來的問題，平臺基于中國海裝開發(fā)的一種風電機組場群尾流控制技術，采用主動偏航的方式，對風電機組尾流進行控制，實現(xiàn)全場發(fā)電量最大化。

當上游風電機組的偏航發(fā)生改變，其尾流將會發(fā)生一定的偏移（如圖15），下游機組將避開上游機組的尾流中心線，這將明顯降低上游機組尾流對下游機組的直接影響，提高下游機組的功率表現(xiàn)。改變上游機組變槳角度主要能夠降低下游尾流風速潰縮的情況（如圖16），提高下游機組入流風速，降低下游機組受到的尾流影響。

在新疆某風電場開展了場群尾流控制的現(xiàn)場測試。測試結果表明，風電場尾流控制方法能有效降低尾流損失，使發(fā)電量提升超過10%。

總結

通過基于全域感知的智能風電機組平臺的搭建，實現(xiàn)了智能技術的擴展，包括葉片凈空監(jiān)測、基于衛(wèi)星測量塔筒中心位移、激光雷達控制、尾流控制等功能，提高了機組的全域感知能力，增加了機組對各種運行狀態(tài)的識別能力；并通過引入智能控制策略，結合先進控制算法實現(xiàn)了機組智能化的目標?；谝陨先轿坏闹悄芙鉀Q方案，打造了具有自感知、自適應、自學習、自控制能力的智能風電機組，從而能最大限度地保證發(fā)電效率，降低人力和運維成本，提升業(yè)主收益。

（作者單位：中國船舶集團海裝風電股份有限公司）