陽雪兵，韓嘉路，凌啟輝，王憲

（1.湖南科技大學(xué)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)挖掘與利用技術(shù)湖南省工程研究中心，湖南 湘潭 411201；2.哈電風(fēng)能有限公司，湖南 湘潭 411102）

0 引言

風(fēng)能是一種清潔無污染且是具有很大開發(fā)潛力的綠色能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界已有很多國家致力于風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，風(fēng)能因此得到了廣泛的開發(fā)和利用，風(fēng)電市場發(fā)展前景分析表明，在未來的很長一段時(shí)間內(nèi)，風(fēng)電會(huì)在全球清潔能源方面做出巨大的貢獻(xiàn)，在能源供應(yīng)體系中占據(jù)的位置越來越重要[1]。風(fēng)能作為一種重要的能源，如果在風(fēng)電行業(yè)推廣施行提高能源利用率的措施，那么全球可再生能源發(fā)電量將大大增加。

由于風(fēng)向變化頻繁且隨機(jī)，整個(gè)風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)鍵是控制技術(shù), 主動(dòng)偏航控制系統(tǒng)是水平軸風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的重要組成部分之一。因此，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)控制方面的相關(guān)研究備受關(guān)注。文獻(xiàn)[2] ～[3]采用爬山算法控制偏航系統(tǒng)，一步步提高風(fēng)電機(jī)組的輸出功率使其接近最大輸出功率；在文獻(xiàn)[4] ～[5]中提出了ART2-W和ART2-C偏航控制方法，能有效地提高對(duì)風(fēng)精度，增加了風(fēng)機(jī)的輸出功率；文獻(xiàn)[6] ～[7]設(shè)計(jì)了基于優(yōu)化卡爾曼濾波器的偏航控制算法，以使系統(tǒng)精準(zhǔn)對(duì)風(fēng)；文獻(xiàn)[8] ～[11]提出了基于模糊控制算法的偏航控制策略，使系統(tǒng)具有更好的追蹤性能，同時(shí)也改善了系統(tǒng)的性能；文獻(xiàn)[12]通過分析計(jì)算最大發(fā)電量時(shí)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)延遲時(shí)間，作為偏航系統(tǒng)重啟對(duì)風(fēng)的條件；文獻(xiàn)[13]提出了一種基于風(fēng)向樣本相似度和支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型的風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)控制策略，該策略可大幅度提高對(duì)風(fēng)精度。上述研究多集中在從控制算法方面去研究偏航系統(tǒng)重啟后如何高效精準(zhǔn)地對(duì)風(fēng)，但在什么工況下應(yīng)該重啟偏航系統(tǒng)對(duì)風(fēng)的相關(guān)研究較少，也沒有從數(shù)據(jù)分析方面去研究偏航系統(tǒng)的整體運(yùn)行，因此我們可以考慮從數(shù)據(jù)方面去分析研究偏航系統(tǒng)的整體運(yùn)行。

本文以某山地風(fēng)電場中采用主動(dòng)偏航系統(tǒng)的直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，利用bin方法對(duì)SCADA系統(tǒng)采集的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，分析了不同風(fēng)速區(qū)間下的不同偏航誤差角絕對(duì)值δ的范圍對(duì)功率的影響，以此為機(jī)組偏航系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)方面相關(guān)研究提供了參考依據(jù)。

1 偏航系統(tǒng)工作原理

自然界風(fēng)向是經(jīng)常改變的，為保證風(fēng)能利用效率和風(fēng)力機(jī)使用壽命，水平軸風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪掃掠面應(yīng)盡量和風(fēng)向保持垂直。偏航系統(tǒng)的基本功能就是跟蹤風(fēng)向的變化驅(qū)動(dòng)機(jī)艙圍繞塔架中心線旋轉(zhuǎn)，使得風(fēng)輪掃掠面與風(fēng)向保持垂直。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)分為主動(dòng)偏航系統(tǒng)和被動(dòng)偏航系統(tǒng)兩類。被動(dòng)偏航系統(tǒng)是指依靠風(fēng)力通過相關(guān)機(jī)構(gòu)完成對(duì)風(fēng)動(dòng)作的偏航方式，主要用于中、小型風(fēng)電機(jī)組，常見的有尾舵、舵輪和下風(fēng)向3種；主動(dòng)偏航是指采用電力或液壓拖動(dòng)來完成對(duì)風(fēng)動(dòng)作的偏航方式，常見的有齒輪驅(qū)動(dòng)和滑動(dòng)2種方式。大型風(fēng)電機(jī)組通常采用主動(dòng)偏航的齒輪驅(qū)動(dòng)形式。

典型的大型風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)主要由控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)元件等部分組成。偏航系統(tǒng)工作流程如圖1所示。偏航系統(tǒng)的功能通常包括90°側(cè)風(fēng)（停機(jī)時(shí)）、自動(dòng)解纜、手動(dòng)偏航、自動(dòng)偏航。自動(dòng)偏航是其中最為復(fù)雜、對(duì)風(fēng)電機(jī)組性能影響最顯著的功能。

圖1 偏航系統(tǒng)工作流程

自動(dòng)偏航控制策略分為兩個(gè)層面：1）由重啟對(duì)風(fēng)策略決定什么條件下啟動(dòng)自動(dòng)偏航；2）由執(zhí)行對(duì)風(fēng)策略決定如何高效準(zhǔn)確地對(duì)風(fēng)。為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性，大型風(fēng)電機(jī)組一般采用較為簡單的重啟對(duì)風(fēng)策略，即當(dāng)風(fēng)向偏差θ持續(xù)時(shí)間T均大于閾值θd時(shí)，啟動(dòng)對(duì)風(fēng)。對(duì)于平地風(fēng)場，θd通常在8°左右取值，T通常在180 s左右取值。山地風(fēng)場的局地風(fēng)速和風(fēng)向受地形影響更明顯，瞬時(shí)波動(dòng)更大；為避免頻繁偏航造成主要部件疲勞，山地風(fēng)場的θ和T取值更大（其中，θd通常取值為15°）。主流的執(zhí)行對(duì)風(fēng)策略包括爬山算法、V-HC（Vane-Hill Climbing）算法等。

2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition,簡稱SCADA）技術(shù)己經(jīng)成熟,已廣泛應(yīng)用于兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組信息采集，風(fēng)電機(jī)組SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)和傳感器為基礎(chǔ)，遠(yuǎn)程連接每臺(tái)風(fēng)機(jī)，對(duì)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制的一種系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程控制，以此來優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行，其在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域有著相當(dāng)重要的作用。此系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定1 s、1 min或者10 min會(huì)記錄機(jī)組的一組運(yùn)行參數(shù)，包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、功率等在內(nèi)的80余項(xiàng)參數(shù)。

本研究采用的SCADA數(shù)據(jù)來源于中國南方某山地風(fēng)電場的2 MW永磁直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)，其風(fēng)輪直徑為96 m，切入風(fēng)速為3 m/s，額定風(fēng)速為11 m/s，輪轂轉(zhuǎn)速為6～17 r/min。S CADA 系統(tǒng)每10 min記錄一次以1 Hz的頻率采集的風(fēng)力機(jī)狀態(tài)和外部環(huán)境參數(shù)平均值，風(fēng)電場共有24個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，本文使用了其中4個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（WT #3、WT #12、WT #18 和WT #24）1 a的SCADA數(shù)據(jù)。

3 方法

3.1 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

本文采用SCADA數(shù)據(jù)中的機(jī)艙氣象站風(fēng)速、5 s偏航對(duì)風(fēng)平均值、變頻器電網(wǎng)側(cè)有功功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析，原始數(shù)據(jù)記錄了風(fēng)電機(jī)組某年全年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，其中有正常狀態(tài)下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，也存在故障運(yùn)行和停機(jī)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，所以首先需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理。由于風(fēng)速小于4 m/s時(shí)，風(fēng)電機(jī)組捕獲風(fēng)能較低，對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電量影響很小，因而不作為研究對(duì)象。風(fēng)速大于額定風(fēng)速（11 m/s）時(shí)，不是風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間的主要風(fēng)速段，也不作為研究對(duì)象，只研究風(fēng)速4～11 m/s的正常運(yùn)行數(shù)據(jù)。

剔除如下非正常數(shù)據(jù)：1）風(fēng)速小于4 m/s或者大于11 m/s的數(shù)據(jù)；2）變頻器電網(wǎng)側(cè)有功功率不大于0的數(shù)據(jù)；3）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)剔除劣化數(shù)據(jù)，風(fēng)速區(qū)間4～7 m/s功率不大于20 kW的數(shù)據(jù)、區(qū)間6～8 m/s功率不大于50 kW的數(shù)據(jù)、區(qū)間8～11 m/s功率不大于100 kW的數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)單值化處理

風(fēng)電機(jī)組偏航誤差與輸出功率存在復(fù)雜的多對(duì)多關(guān)系，直接分析非常不便，有必要選擇一種單值化數(shù)據(jù)處理方法揭示其內(nèi)在聯(lián)系。bin方法[14]是風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)挖掘、性能評(píng)估中經(jīng)常使用的一種單值化處理方法，其有效性已經(jīng)被大量研究證實(shí)[15]。本研究也采用了這一方法對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行單值化處理。該法是將每一組的測(cè)試數(shù)據(jù)分組到相應(yīng)的區(qū)間即bin（例如風(fēng)速區(qū)間、溫度區(qū)間)中去，計(jì)算每個(gè)bin中的樣本數(shù)量和功率總和，最后根據(jù)研究的需要對(duì)每個(gè)bin中的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

本文的研究目的是通過對(duì)機(jī)組的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，分析不同偏航誤差角絕對(duì)值δ對(duì)功率的影響。為保證樣本量充足及研究具有一定的代表性，根據(jù)風(fēng)電場某年每臺(tái)風(fēng)機(jī)采集的數(shù)據(jù)量的多少和機(jī)位布置情況，選擇3#機(jī)組和12#機(jī)組兩臺(tái)風(fēng)機(jī)作為研究對(duì)象。文中bin的確定分兩步：風(fēng)速的劃分和偏航誤差角的劃分。風(fēng)速區(qū)間的劃分標(biāo)準(zhǔn)是將風(fēng)速段4～11 m/s，使用1 m/s間隔；偏航誤差角區(qū)間劃分標(biāo)準(zhǔn)：1）偏航誤差角絕對(duì)值δ滿足0≤δ≤6，采用1°間隔；2）6＜δ≤9為1個(gè)區(qū)間。計(jì)算每個(gè)bin的樣本數(shù)量與其功率總和，求出每個(gè)bin內(nèi)的平均值進(jìn)行分析討論。

4 結(jié)果與討論

圖2（a）、圖2（b）分別為WT #3、WT #12機(jī)組的樣本散點(diǎn)圖，顯示了不同偏航誤差角絕對(duì)值時(shí)，輸出功率隨風(fēng)速的變化情況，從圖中可以觀測(cè)到大量的數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析提供足夠的樣本量。

圖2 兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的樣本散點(diǎn)圖

圖3顯示了4臺(tái)機(jī)組偏航誤差角大小對(duì)輸出功率的影響結(jié)果，WT #3的7～10 m/s風(fēng)速段，部分誤差角區(qū)間的功率差異明顯較大，其他風(fēng)速段，偏航誤差角大小對(duì)功率影響不明顯;WT #12的6 ～8 m/s風(fēng)速區(qū)間，部分誤差角區(qū)間的功率差異明顯較大，其他風(fēng)速區(qū)間則相反;WT #18的7～10 m/s風(fēng)速區(qū)間，部分誤差角區(qū)間的功率差異明顯較大，其他風(fēng)速區(qū)間則相反;WT #24整體上看，偏航誤差角的不同對(duì)輸出功率的影響小，然而可以發(fā)現(xiàn)中間風(fēng)速段的線段離散程度比其他部分更高些，說明中間風(fēng)速段的偏航誤差角對(duì)功率的影響相比該機(jī)組其余風(fēng)速段更明顯。

圖3 偏航誤差角對(duì)功率的影響

以WT #3、WT #12為例，放大功率相差較大的風(fēng)速段，如圖4（a）、4（b）所示，從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)3號(hào)機(jī)組在7～10 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，相同風(fēng)速輸入，4＜δ≤9范圍內(nèi)功率明顯低于0≤δ≤4的功率，最大可達(dá)約110 kW，最小約26 kW；12號(hào)機(jī)組在6～8 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，相同的風(fēng)速輸入下，5＜δ≤9范圍內(nèi)的功率明顯比0≤δ≤5的功率小，最大可達(dá)約132 kW，最小約26 kW。

圖4 偏航誤差角對(duì)功率的影響

本文通過SCADA系統(tǒng)采集10 min/次的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析不同風(fēng)速下的偏航誤差角大小對(duì)功率的影響。由圖可知，WT #3風(fēng)速段4～7 m/s、10～11 m/s、WT #12風(fēng)速段4～6 m/s、8～11 m/s及WT#18風(fēng)速段4～7 m/s、10～11 m/s的數(shù)據(jù)表明部分風(fēng)速段下，偏航誤差角的大小對(duì)功率的影響很?。徊糠终`差角區(qū)間的功率差異明顯較大的風(fēng)速集中在各個(gè)機(jī)組中間風(fēng)速段。 以WT #12為例，6～8 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，差值最大達(dá)到了132 kW，且不同機(jī)組，功率差異顯著的風(fēng)速范圍不完全相同?？偟膩碇v，從偏航系統(tǒng)整體運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，偏航誤差角越小，不完全意味著風(fēng)機(jī)的出力性能越好。后續(xù)可以從調(diào)整偏航控制策略，增大偏航誤差角允許范圍的角度研究；偏航誤差角大小對(duì)功率影響的顯著差異集中在機(jī)組的中間風(fēng)速段，且不同機(jī)組，功率差異顯著的風(fēng)速段不同，可以根據(jù)各個(gè)機(jī)組的實(shí)際情況采取差異化設(shè)置參數(shù)的控制策略。

5 結(jié)論

目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)研究多集中在從控制算法方面研究偏航系統(tǒng)重啟后如何高效精準(zhǔn)地對(duì)風(fēng)，對(duì)偏航系統(tǒng)在什么工況下應(yīng)該重啟對(duì)風(fēng)的相關(guān)研究較少，也沒有從數(shù)據(jù)方面分析研究偏航系統(tǒng)的整體運(yùn)行。本文利用SCADA 系統(tǒng)每10 min采集一次的歷史數(shù)據(jù)，通過bin方法分析了不同風(fēng)速下偏航誤差角與機(jī)組輸出功率的關(guān)系，從偏航系統(tǒng)整體運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，偏航誤差角越小，不完全意味著風(fēng)機(jī)的出力性能越好，那么后期可以從調(diào)整偏航控制策略方面進(jìn)一步研究，根據(jù)不同機(jī)組的實(shí)際情況和同一機(jī)組不同風(fēng)速段采取差異化設(shè)置參數(shù)的控制策略，對(duì)偏航控制系統(tǒng)中偏航誤差允許范圍等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。