莊勇，吳士華，林濤，王建君，李波函

（北京國(guó)電思達(dá)科技有限公司，北京 100039）

1 研究背景

近兩年，國(guó)家能源局組織人員對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了抽查，并強(qiáng)調(diào)應(yīng)提高我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電水平，在風(fēng)電運(yùn)維技術(shù)和風(fēng)電運(yùn)維管理模式兩方面進(jìn)一步完善和發(fā)展。風(fēng)電機(jī)組主要包括：發(fā)電機(jī)、主軸、葉片、偏航、傳感器等部分。通過(guò)表1可以發(fā)現(xiàn)偏航系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中起著不可或缺的作用，在機(jī)組所有部件中故障率和故障停機(jī)時(shí)間都是比較高。風(fēng)電場(chǎng)通常坐落在偏遠(yuǎn)的山區(qū)，交通不便，這對(duì)風(fēng)電機(jī)組的故障維修帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，產(chǎn)生了高昂的費(fèi)用，不利于風(fēng)電能源的發(fā)展。因此通過(guò)分析故障產(chǎn)生的原因來(lái)降低故障率，提高風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益是十分有必要的。影響偏航控制系統(tǒng)的主要因素是風(fēng)向，為了合理的利用風(fēng)資源，減少風(fēng)向和風(fēng)速特性帶來(lái)的不利影響，并使風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的電量可以安全的并網(wǎng)，所以對(duì)于偏航控制系統(tǒng)的研究顯得尤為重要。

表1 風(fēng)機(jī)主要部件故障率和故障停機(jī)時(shí)間

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，為了使偏航控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效對(duì)風(fēng)，需要調(diào)節(jié)偏航系統(tǒng)的機(jī)艙正對(duì)風(fēng)向儀所測(cè)的方向，但風(fēng)吹向風(fēng)向儀造成傷害后將風(fēng)向儀吹歪、風(fēng)向儀固定安裝不牢固、風(fēng)向儀制造精度不高造成了靜態(tài)偏差的產(chǎn)生，導(dǎo)致偏航系統(tǒng)不能準(zhǔn)確對(duì)風(fēng)。偏航控制系統(tǒng)存在偏航偏差閾值和偏航時(shí)間閾值，在偏航時(shí)間閾值這一時(shí)間段的平均風(fēng)向與機(jī)艙夾角超過(guò)一定偏航偏差閾值時(shí)，偏航系統(tǒng)才重新啟動(dòng)對(duì)風(fēng)操作，由于滯后而引起的對(duì)風(fēng)誤差即為偏航控制策略誤差。偏航控制策略誤差不僅會(huì)減少對(duì)風(fēng)資源的捕獲，還有可能引起偏航軸承疲勞載荷增大，從而導(dǎo)致機(jī)組壽命縮短。當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，風(fēng)向變化頻繁，偏航系統(tǒng)為了有效對(duì)風(fēng)，機(jī)艙不斷進(jìn)行重啟對(duì)風(fēng)操作，從而影響偏航軸承的壽命。為了提高風(fēng)能利用率，提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量，需要在偏航次數(shù)增多和較高對(duì)風(fēng)精度之間尋求一種平衡，在追求高利潤(rùn)的同時(shí)，還要兼顧機(jī)組的壽命，因此研究偏航控制策略誤差對(duì)提高風(fēng)能的捕獲具有重要的意義。

現(xiàn)階段，風(fēng)場(chǎng)遍布全國(guó)各地，隨著年限的增加，很多風(fēng)電場(chǎng)面臨著機(jī)組大部件問(wèn)題頻發(fā)，部分機(jī)組發(fā)電效率、功率特性系數(shù)降低，這些問(wèn)題將對(duì)機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生影響。隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量增多和并網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大，風(fēng)電場(chǎng)積累了大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，越來(lái)越多的研究工作通過(guò)深入挖掘風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的信息，進(jìn)而展開(kāi)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的研究，所以本文綜述了偏航系統(tǒng)誤差的研究進(jìn)展，為后續(xù)研究偏航系統(tǒng)誤差的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

2 偏航系統(tǒng)優(yōu)化方法

為了充分利用風(fēng)資源在風(fēng)電機(jī)組上獲得更大的益處，關(guān)于風(fēng)電機(jī)組控制方面的研究迅速發(fā)展，在風(fēng)電機(jī)組控制方面的研究主要包含發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)。以自適應(yīng)控制和模糊邏輯控制為主的最先進(jìn)偏航控制策略廣泛應(yīng)用在發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和葉片槳距角達(dá)到控制效果。相較于發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在偏航控制系統(tǒng)的研究不是很多。目前，在偏航控制系統(tǒng)方面的研究主要有：利用測(cè)風(fēng)裝備對(duì)風(fēng)電機(jī)組上的風(fēng)向儀進(jìn)行修正以達(dá)到規(guī)定的偏航精度、基于功率檢測(cè)的爬山控制算法(V-HC算法)、基于風(fēng)況預(yù)測(cè)的偏航執(zhí)行對(duì)風(fēng)研究、將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到偏航控制器、最大風(fēng)能追蹤的偏航控制策略，這些方法使偏航系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤風(fēng)向。

2.1 基于靜態(tài)偏航誤差的優(yōu)化方法

首先，針對(duì)偏航控制系統(tǒng)靜態(tài)偏差來(lái)進(jìn)行研究，風(fēng)電機(jī)組在正常運(yùn)行發(fā)電過(guò)程中，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的渦流或者風(fēng)向儀安裝不準(zhǔn)確等一系列原因都可能導(dǎo)致對(duì)風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量的不準(zhǔn)確，影響偏航控制器輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致偏航靜態(tài)誤差產(chǎn)生。偏航誤差的存在對(duì)風(fēng)電機(jī)組效率、葉片載荷和運(yùn)行維護(hù)成本都產(chǎn)生了不利影響。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，平均偏航誤差為15°時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量損失可達(dá)5%～13%。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)偏航靜態(tài)誤差做了大量研究并提出很多方法，為消除靜態(tài)偏差，激光雷達(dá)被應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)校正。文獻(xiàn)[8]利用機(jī)艙激光雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)來(lái)提高風(fēng)電機(jī)組的對(duì)風(fēng)準(zhǔn)確性，但由于激光雷達(dá)售價(jià)昂貴，不適合大面積使用。另外一類(lèi)方法是基于歷史數(shù)據(jù)挖掘，實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)偏差的有效校正。文獻(xiàn)[9]通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，對(duì)偏航誤差區(qū)間進(jìn)行劃分，并為每個(gè)偏航誤差區(qū)間找到最優(yōu)的發(fā)電曲線(xiàn)，評(píng)估多條功率曲線(xiàn)，以確定實(shí)際的固有失準(zhǔn)值，提高了風(fēng)場(chǎng)的效益。文獻(xiàn)[10]對(duì)偏航誤差區(qū)間進(jìn)行劃分，并確定每個(gè)偏航分區(qū)的功率曲線(xiàn)，所有的功率曲線(xiàn)量化性能指標(biāo)之后計(jì)算偏航誤差角，對(duì)校正偏航誤差有一定的幫助。文獻(xiàn)[11]采用改進(jìn)的DBSCAN聚類(lèi)算法對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，利用雙調(diào)和樣條插值等方法對(duì)風(fēng)向儀進(jìn)行校正，提高了風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量。上述風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)靜態(tài)偏差的校正是基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型，在檢測(cè)快速性和準(zhǔn)確性方面表現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢(shì)。

2.2 基于風(fēng)向預(yù)測(cè)的主動(dòng)偏航優(yōu)化方法

偏航控制策略誤差是不可避免的，為了減小偏航誤差對(duì)風(fēng)電性能的影響，大型風(fēng)電機(jī)組普遍采用基于風(fēng)向測(cè)量的主動(dòng)偏航控制，但風(fēng)向快速變化與偏航緩慢動(dòng)作之間的矛盾限制了該類(lèi)控制方法的性能。為解決上述問(wèn)題，基于風(fēng)向預(yù)測(cè)的偏航控制方法被提出。文獻(xiàn)[12]利用基于自回歸綜合移動(dòng)平均線(xiàn)的卡爾曼濾波模型來(lái)預(yù)測(cè)風(fēng)向,同時(shí)提出一種基于有限控制集的模型預(yù)測(cè)控制方法，相比于在傳統(tǒng)方法的預(yù)測(cè)，提高了預(yù)測(cè)精度。文獻(xiàn)[13]選用遺傳算法對(duì)支持向量機(jī)的懲罰參數(shù)和核函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，解決了參數(shù)難以確定和模型訓(xùn)練時(shí)間過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題，并提高了風(fēng)速預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確度。以上的風(fēng)電場(chǎng)短期預(yù)測(cè)方法都在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，雖然這些模型對(duì)于風(fēng)向預(yù)測(cè)都有很好的預(yù)測(cè)效果，但是對(duì)于數(shù)據(jù)量大、預(yù)測(cè)精度等問(wèn)題不能滿(mǎn)足需求，而深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在這方面表現(xiàn)了很好的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[14]通過(guò)利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network，CNN）在訓(xùn)練中可以克服梯度爆炸和消失的優(yōu)點(diǎn)，將CNN和門(mén)控循環(huán)單元相結(jié)合對(duì)風(fēng)向進(jìn)行預(yù)測(cè)，但由于CNN池化層會(huì)丟失有價(jià)值的信息，對(duì)于時(shí)序序列不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[21]針對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的復(fù)雜特性，采用VMD（Variational Mode Decomposition，VMD）算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，得到了平穩(wěn)的信號(hào)，降低了原始序列不穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[15]利用長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Long Short-Term Memory，LSTM）在處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)上具有記憶功能的優(yōu)點(diǎn)，采用其方法對(duì)風(fēng)速進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并與其他方法進(jìn)行了對(duì)比，表現(xiàn)出很好的預(yù)測(cè)效果。但LSTM的各項(xiàng)超參數(shù)難以確定，如時(shí)間步長(zhǎng)、隱藏層單元個(gè)數(shù)等。單一的預(yù)測(cè)不能表現(xiàn)出很好的優(yōu)勢(shì)，為了提高預(yù)測(cè)精度，會(huì)把各種模型的優(yōu)點(diǎn)組合成混合預(yù)測(cè)模型。

2.3 基于偏航控制參數(shù)的優(yōu)化方法

雖然風(fēng)向預(yù)測(cè)解決了偏航系統(tǒng)滯后問(wèn)題，但是帶來(lái)了偏航次數(shù)增多，增加了偏航系統(tǒng)的故障率。為了解決此問(wèn)題，智能算法被應(yīng)用于偏航控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。文獻(xiàn)[16]根據(jù)風(fēng)速設(shè)定了三個(gè)偏航區(qū)間，但對(duì)于偏航閾值和偏航時(shí)間沒(méi)有設(shè)定，只是簡(jiǎn)單的設(shè)置了三個(gè)區(qū)間的控制模式。文獻(xiàn)[17]將風(fēng)速區(qū)間劃分為4個(gè)區(qū)間，選用概率統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，沒(méi)有進(jìn)行參數(shù)的搜索尋優(yōu)。文獻(xiàn)[18]利用偏航誤差概率分布的方法確定低中高風(fēng)速段的尋優(yōu)范圍，應(yīng)用細(xì)菌群體趨藥性算法對(duì)參數(shù)進(jìn)行求解，優(yōu)化后的偏航控制策略能夠有效降低偏航次數(shù)，但是沒(méi)有考慮偏航電機(jī)消耗的電量和偏航軸承疲勞壽命。文獻(xiàn)[19]對(duì)偏航控制系統(tǒng)的壽命進(jìn)行了量化計(jì)算，以綜合經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)函數(shù)，在經(jīng)濟(jì)效益與偏航次數(shù)之間尋求了一種平衡，解決了偏航系統(tǒng)頻繁啟停與提升發(fā)電量之間的矛盾。上述方法對(duì)風(fēng)電機(jī)組的偏航時(shí)間和偏航閾值重新設(shè)定，設(shè)定的參數(shù)符合本地區(qū)的偏航控制策略，解決了風(fēng)機(jī)出廠(chǎng)時(shí)偏航控制參數(shù)設(shè)置相同的問(wèn)題，對(duì)于提高本地風(fēng)場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益具有顯著的意義。

3 偏航系統(tǒng)研究展望

通過(guò)上述方法研究，目前對(duì)于偏航系統(tǒng)的優(yōu)化主要在靜態(tài)偏差和控制策略誤差兩方面，為了后續(xù)對(duì)其更好的研究，提出了如下兩種方案。

其一，現(xiàn)有的大型風(fēng)電機(jī)組對(duì)于偏航系統(tǒng)靜態(tài)偏差的校正主要用激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)風(fēng)向標(biāo)進(jìn)行校正，由于激光雷達(dá)造價(jià)昂貴，不適用于大規(guī)模機(jī)組。未來(lái)采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)靜態(tài)誤差進(jìn)行研究，并開(kāi)發(fā)出偏航評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)場(chǎng)提供更好的運(yùn)維方案。

其二，風(fēng)電機(jī)組在出廠(chǎng)時(shí)往往制定同一種偏航控制策略，而在不同地區(qū)，不同機(jī)組之間，不同風(fēng)況下有較大差異，偏航控制區(qū)間不一定是最好的，設(shè)計(jì)適合本地區(qū)的偏航控制策略具有重要意義。風(fēng)電機(jī)組一般采用偏航容許誤差的偏航控制模式：只有當(dāng)機(jī)艙軸線(xiàn)和風(fēng)向的夾角超過(guò)設(shè)定的偏航閾值時(shí)，才進(jìn)行偏航動(dòng)作。雖然犧牲了偏航系統(tǒng)對(duì)風(fēng)精度，降低了風(fēng)能利用率，卻提高了偏航系統(tǒng)和整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性，這種控制策略被大部分的風(fēng)機(jī)制造商所推崇。通過(guò)風(fēng)向預(yù)測(cè)對(duì)偏航系統(tǒng)進(jìn)行指導(dǎo)，提高了偏航系統(tǒng)的對(duì)風(fēng)精度，但在低風(fēng)速區(qū)由于偏航系統(tǒng)頻繁啟停，導(dǎo)致偏航系統(tǒng)機(jī)械部件的嚴(yán)重磨損，所以需要對(duì)偏航控制參數(shù)重新劃分，增大低風(fēng)速區(qū)間的偏航偏差閾值和偏航時(shí)間閾值。偏航控制方法如圖1所示，當(dāng)風(fēng)向儀檢測(cè)風(fēng)信號(hào)，計(jì)算偏航閾值時(shí)間段的平均風(fēng)向與機(jī)艙軸線(xiàn)的角度是否大于偏航閾值的最小值，如果否，不進(jìn)行偏航動(dòng)作。如果是，利用風(fēng)向數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)下一時(shí)間段的風(fēng)向，并且判斷此時(shí)的風(fēng)速是否大于切入風(fēng)速小于峰值風(fēng)速，如果是，執(zhí)行低風(fēng)速控制模式；如果否，判斷風(fēng)速是否大于峰值風(fēng)速小于額定風(fēng)速，如果是，執(zhí)行中風(fēng)速控制模式；如果否，判斷風(fēng)速是否大于額定風(fēng)速小于切出風(fēng)速，如果是，執(zhí)行高風(fēng)速控制模式；如果否，執(zhí)行停機(jī)模式。如果執(zhí)行低風(fēng)速控制模式、中風(fēng)速控制模式或者高風(fēng)速控制模式，將調(diào)節(jié)機(jī)艙位置到下一時(shí)刻預(yù)測(cè)的風(fēng)向。通過(guò)改進(jìn)的控制模式可以提高風(fēng)機(jī)的對(duì)風(fēng)精度，提升風(fēng)機(jī)的發(fā)電量，有效降低故障發(fā)生概率。

圖1 偏航控制方法流程

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因，并對(duì)偏航系統(tǒng)靜態(tài)偏差和控制策略誤差兩方面進(jìn)行了綜述。在以往的偏航控制方法的研究中，主要對(duì)偏航控制系統(tǒng)參數(shù)的重新設(shè)定和風(fēng)向預(yù)測(cè)兩方面提高對(duì)風(fēng)精度，而忽略了對(duì)風(fēng)向標(biāo)的校正，通過(guò)運(yùn)用已有的數(shù)據(jù)來(lái)研究風(fēng)機(jī)的偏航系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)偏航評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的智慧運(yùn)維發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。