風(fēng)電機(jī)組主控策略?xún)?yōu)化對(duì)實(shí)際發(fā)電量的影響淺析

張磊 賈蘭宇 史百賀 張聿強(qiáng) 王輝

我國(guó)十年前采用的老舊風(fēng)電機(jī)組無(wú)論是在技術(shù)水平，還是質(zhì)量水平上，與新機(jī)組相比都有很大差距，主要體現(xiàn)為性能差、發(fā)電量低。為了使機(jī)組在剩余服役期內(nèi)創(chuàng)造更多的發(fā)電效益，改善老舊機(jī)組性能，提升機(jī)組發(fā)電量成為當(dāng)前受到迫切關(guān)注的問(wèn)題。隨著技術(shù)不斷革新，針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)老舊機(jī)組的發(fā)電量提升可以提供多種有效可行的方案，包括增高塔簡(jiǎn)、加長(zhǎng)葉片以捕獲更多的風(fēng)能，更改機(jī)組發(fā)電策略提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。但是增高塔簡(jiǎn)與葉片加長(zhǎng)方案的工程量、改造投資均較大。相比之下，更改主控控制策略的方案更易于實(shí)施。因此，優(yōu)化主控控制策略成為老舊機(jī)組提升發(fā)電量、降低成本且顯著增加效益的一種可選方案。

本文以最優(yōu)控制與查表法為研究對(duì)象，對(duì)比分析了相同機(jī)型情況下使用此兩種控制策略產(chǎn)生實(shí)際發(fā)電量的差異，同時(shí)計(jì)算了優(yōu)化控制策略所提升發(fā)電量帶來(lái)的收益，并通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)證明最優(yōu)控制算法比查表法控制在發(fā)電能力上更優(yōu)越。在不改變機(jī)組其他部件的情況下，對(duì)主控算法進(jìn)行合理優(yōu)化，增大風(fēng)能捕獲，可以有效改善機(jī)組的實(shí)際功率曲線(xiàn)，提升機(jī)組發(fā)電量。

最優(yōu)控制與查表法的差異

查表法是基于常規(guī)的轉(zhuǎn)速一功率或轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩查表控制方法?？刂扑惴ㄆ髦械墓β驶蜣D(zhuǎn)矩均為固定空氣密度下的給定，由于空氣密度與環(huán)境的氣壓、溫度相關(guān)，氣壓和溫度的實(shí)時(shí)變化會(huì)導(dǎo)致功率或轉(zhuǎn)矩的實(shí)際給定與最優(yōu)給定存在一些偏差，從而影響發(fā)電效果。而最優(yōu)控制策略可以有效彌補(bǔ)上述方法的不足。

最優(yōu)控制算法是按照最佳轉(zhuǎn)矩關(guān)系式對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使風(fēng)電機(jī)組在各個(gè)風(fēng)速段的轉(zhuǎn)矩平滑變化，不發(fā)生跳變，最大限度適應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械特性。風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速之間運(yùn)行，通過(guò)轉(zhuǎn)矩控制，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后轉(zhuǎn)換為恒轉(zhuǎn)速控制。最優(yōu)控制算法將風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)劃分為四個(gè)階段，分別為轉(zhuǎn)速恒定階段、變轉(zhuǎn)速運(yùn)行階段、恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行階段、恒功率運(yùn)行階段。在轉(zhuǎn)速恒定階段采用轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制，獲取低風(fēng)速段的最大風(fēng)能捕獲;在變轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)域，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)信息，把空氣密度、海拔高度等信息輸入控制算法，使風(fēng)電機(jī)組能夠自動(dòng)跟蹤，實(shí)時(shí)調(diào)整模型增益系數(shù)，獲得最佳Cp;在高風(fēng)速階段，控制槳距角以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，采用最優(yōu)控制算法控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)速下的發(fā)電控制。

最優(yōu)控制相對(duì)查表法控制存在如下優(yōu)勢(shì)：

（1）最優(yōu)控制的功率曲線(xiàn)比查表法好。

（2）最優(yōu)控制可以提前達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，最大限度適應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械特性。

（3）最優(yōu)控制保持的最佳葉尖速比的速度范圍比查表法更寬。

（4）最優(yōu)控制相對(duì)于查表法更容易抑制機(jī)組振動(dòng)，特別是在風(fēng)況變化比較頻繁的情況下。風(fēng)電機(jī)組功率曲線(xiàn)和功率保證值計(jì)算方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T18451.2-2012風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性測(cè)試》與《IEC61400-12風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性測(cè)試》相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，本文采用的功率曲線(xiàn)分析方法如下：

（1）折算發(fā)電量為風(fēng)頻分布值與實(shí)測(cè)功率曲線(xiàn)值的乘積。

（2）保證發(fā)電量為風(fēng)頻分布值與風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際空氣密度下保證的功率曲線(xiàn)值的乘積。

（3）功率曲線(xiàn)保證值k為折算發(fā)電量與保證發(fā)電量的比值。

（4）風(fēng)頻分布采用Rayleigh分布描述，計(jì)算公式如下：

式中，AEP為年發(fā)電量;Nh為一年總小時(shí)數(shù)，按照365天計(jì)算為8760小時(shí);Ⅳ為區(qū)間的數(shù)目;Vi為第i個(gè)區(qū)間規(guī)格化后的平均風(fēng)速;Pi為第i個(gè)區(qū)間規(guī)格化后的平均輸出功率。

算法優(yōu)化前后的實(shí)際發(fā)電量對(duì)比

興安盟某風(fēng)電場(chǎng)使用33臺(tái)風(fēng)輪直徑為77米的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)電機(jī)組控制算法自投產(chǎn)以來(lái)至2018年10月一直為查表法;2018年10月，將風(fēng)電機(jī)組發(fā)電算法優(yōu)化為最優(yōu)控制。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際統(tǒng)計(jì)，對(duì)優(yōu)化前后的半年實(shí)際發(fā)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其風(fēng)速和發(fā)電量數(shù)據(jù)分別如下：

查表法：2018年1月至6月的平均風(fēng)速為8.02m/s，實(shí)際發(fā)電量為6346.616萬(wàn)千瓦時(shí)，限電損失電量為1309萬(wàn)千瓦時(shí)，2018年上半年的有效發(fā)電量AEP（查表法實(shí)測(cè)電量）為實(shí)際發(fā)電量與限電損失電量之和，即7655.616萬(wàn)千瓦時(shí)。

最優(yōu)控制：2019年1月至6月的平均風(fēng)速為7.21m/s，實(shí)際發(fā)電量為7536.87萬(wàn)千瓦時(shí)，限電損失電量為202萬(wàn)千瓦時(shí)，2019年上半年的有效發(fā)電量AEP（最優(yōu)控制實(shí)測(cè)電量）為實(shí)際發(fā)電量與限電損失電量之和，即7738.87萬(wàn)千瓦時(shí)。

由以上數(shù)據(jù)可以非常直觀(guān)地看出，2019年上半年相對(duì)于2018年上半年的風(fēng)速下降了0.81m/s，而有效發(fā)電量增加了83.254萬(wàn)千瓦時(shí)。以理論功率曲線(xiàn)為基準(zhǔn)，使用基于Rayleigh分布的年度發(fā)電量計(jì)算公式，可以計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)功率曲線(xiàn)在7.21rn/s風(fēng)速下的保證發(fā)電量：?jiǎn)闻_(tái)機(jī)組的年保證發(fā)電量為487.138萬(wàn)千瓦時(shí)（見(jiàn)表1），通過(guò)單臺(tái)機(jī)組的年保證發(fā)電量可以計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)的半年保證發(fā)電量AEP（7.21）為8037.777萬(wàn)千瓦時(shí)：標(biāo)準(zhǔn)功率曲線(xiàn)在8.02m/s風(fēng)速下的保證發(fā)電量：?jiǎn)闻_(tái)機(jī)組的年保證發(fā)電量為561.847萬(wàn)千瓦時(shí)（見(jiàn)表2），通過(guò)單臺(tái)機(jī)組的年保證發(fā)電量可以計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)的半年保證發(fā)電量AEP（8.02）為9270.5755萬(wàn)千瓦時(shí)。用2018年實(shí)測(cè)發(fā)電量粗略計(jì)算發(fā)電量保證值k（查表法）=AEP（查表法實(shí)測(cè)電量）/AEP（8.02）×100%，為82.58%;用2019年實(shí)測(cè)發(fā)電量粗略計(jì)算發(fā)電量保證值k（最優(yōu)控制）=AEP（最優(yōu)控制實(shí)測(cè)電量）/AEP（7.21）×100%，為96.28%，計(jì)算結(jié)果得出最優(yōu)控制接近機(jī)組的理論保證發(fā)電量，發(fā)電量提升比例為13.7%。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)反推計(jì)算2018年如果使用最優(yōu)算法在8.02m/s風(fēng)速下的實(shí)際應(yīng)發(fā)電量AEP（8.02最優(yōu)應(yīng)）=AEP（8.02）×k最優(yōu)控制=8925.71萬(wàn)千瓦時(shí)，計(jì)算得出在該風(fēng)速下最優(yōu)算法比查表法多發(fā)電量為AEP（8.02最優(yōu)應(yīng)）-AEP（查表法實(shí)測(cè)電量）=1270.094萬(wàn)千瓦時(shí)。同理計(jì)算2019年如果使用查表法在7.21m/s風(fēng)速下的實(shí)際應(yīng)發(fā)電量AEP（7.21查表應(yīng)）=AEP（7.21）×k查表法=6637.596萬(wàn)千瓦時(shí)，計(jì)算得出在該風(fēng)速下查表法比最優(yōu)算法少發(fā)電量為AEP（最優(yōu)控制實(shí)測(cè)電量）-AEP（7.21查表應(yīng)）=1101.274萬(wàn)千瓦時(shí)。

查表及最優(yōu)控制的功率曲線(xiàn)對(duì)比

進(jìn)行主控控制算法優(yōu)化后，SCADA采集2019年上半年3臺(tái)標(biāo)桿風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際功率曲線(xiàn)與其他任意3臺(tái)機(jī)組的實(shí)際功率曲線(xiàn)，其中09#、16#、3 1#風(fēng)電機(jī)組為現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)桿機(jī)組。標(biāo)桿機(jī)組采集功率曲線(xiàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，非標(biāo)桿機(jī)組采集功率曲線(xiàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，功率曲線(xiàn)如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6所示（藍(lán)色曲線(xiàn)為理論功率曲線(xiàn)，紅色為最優(yōu)控制算法SCADA導(dǎo)出的實(shí)際功率曲線(xiàn)，綠色為查表法SCADA導(dǎo)出的實(shí)際功率曲線(xiàn)）。通過(guò)繪制的功率曲線(xiàn)可以看出，查表法SCADA導(dǎo)出的實(shí)際功率曲線(xiàn)低于理論功率曲線(xiàn)，最優(yōu)控制SCADA導(dǎo)出的實(shí)際功率曲線(xiàn)高于理論功率曲線(xiàn)，功率曲線(xiàn)提升明顯。

通過(guò)SCADA采集的實(shí)際功率曲線(xiàn)計(jì)算查表法與最優(yōu)控制在7.21m/s與8.02m/s風(fēng)速下的保證發(fā)電量。由于現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組均存在個(gè)體差異，因此，各臺(tái)機(jī)組采集的功率曲線(xiàn)數(shù)據(jù)不能完全一致，現(xiàn)場(chǎng)80%機(jī)組采集的功率曲線(xiàn)與標(biāo)桿機(jī)組09#、16#機(jī)組采集的功率曲線(xiàn)圖形相近，因此，以下使用16#標(biāo)桿風(fēng)電機(jī)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。使用基于Rayleigh分布的年度發(fā)電量計(jì)算公式，可以計(jì)算出查表法的功率曲線(xiàn)在7.21m/s風(fēng)速下的保證發(fā)電量：?jiǎn)闻_(tái)機(jī)組的年保證發(fā)電量為421.318萬(wàn)千瓦時(shí)（見(jiàn)表5），通過(guò)單臺(tái)機(jī)組的年保證發(fā)電量可以計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)的半年保證發(fā)電量AEP（查表曲線(xiàn)7.21）為6951.747萬(wàn)千瓦時(shí)。

標(biāo)準(zhǔn)功率曲線(xiàn)在8.02m/s風(fēng)速下的保證發(fā)電量：?jiǎn)闻_(tái)機(jī)組的年保證發(fā)電量為494.732萬(wàn)千瓦時(shí)（見(jiàn)表6），通過(guò)單臺(tái)機(jī)組的年保證發(fā)電量可以計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)的半年保證發(fā)電量AEP（查表曲線(xiàn)8.02）為8 163.078萬(wàn)千瓦時(shí)。

計(jì)算功率曲線(xiàn)保證值k（查表7.21）=AEP（查表曲線(xiàn)7.21）/AEP（7.21）×100%=86.49%，功率曲線(xiàn)保證值k（查表8.02）=AEP（查表曲線(xiàn)8.02）/AEP（8.02）×100%=88.05%。

使用基于Rayleigh分布的年度發(fā)電量計(jì)算公式，可以計(jì)算出最優(yōu)控制的功率曲線(xiàn)在7.21m/s風(fēng)速下的保證發(fā)電量：?jiǎn)闻_(tái)機(jī)組的年保證發(fā)電量為540.513萬(wàn)千瓦時(shí)（見(jiàn)表7），通過(guò)單臺(tái)機(jī)組的年保證發(fā)電量可以計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)的半年保證發(fā)電量AEP（最優(yōu)控制7.21）為8918.4645萬(wàn)千瓦時(shí)。

標(biāo)準(zhǔn)功率曲線(xiàn)在8.02m/s風(fēng)速下的保證發(fā)電量：?jiǎn)闻_(tái)機(jī)組的年保證發(fā)電量為615.914萬(wàn)千瓦時(shí)（見(jiàn)表8），通過(guò)單臺(tái)機(jī)組的年保證發(fā)電量可以計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)的半年保證發(fā)電量AEP（最優(yōu)控制8.02）為10162.581萬(wàn)千瓦時(shí)。

計(jì)算功率曲線(xiàn)保證值k（最優(yōu)7.21）=AEP（最優(yōu)控制7.21）/AEP（7.21）×100%=110.96%，功率曲線(xiàn)保證值k（最優(yōu)8.02）=AEP（最優(yōu)控制8.02）/AEP（8.02）×100%=109.62%。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出，在7.21m/s風(fēng)速下最優(yōu)控制比查表法的功率曲線(xiàn)保證發(fā)電量AEP提升了24.47%，在8.02m/s風(fēng)速下最優(yōu)控制比查表法的功率曲線(xiàn)保證發(fā)電量AEP提升了21.57%，功率曲線(xiàn)提升效果明顯。

機(jī)組實(shí)際與保證發(fā)電量對(duì)比分析

將查表法替換為最優(yōu)控制后，實(shí)際發(fā)電量計(jì)算結(jié)果表明提升發(fā)電量比例為13.7%，使用功率曲線(xiàn)計(jì)算出來(lái)的保證發(fā)電量提升比例超過(guò)20%，其原因?yàn)楹笳呤菣C(jī)組在無(wú)故障停機(jī)及無(wú)維護(hù)檢查情況下的發(fā)電量，而風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行存在一定的故障比例與一定的維護(hù)檢修時(shí)間，包括升壓站設(shè)備停電檢修試驗(yàn)等因素均影響機(jī)組的實(shí)際發(fā)電量，因此，機(jī)組實(shí)際發(fā)電量低于理論發(fā)電量。而根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以得出，在7.21m/s風(fēng)速下保證發(fā)電量提升的比例比8.02m/s風(fēng)速下保證發(fā)電量提升比例高出約3%，可以得出同一功率曲線(xiàn)在不同風(fēng)速條件下的提升比例也不同，其主要原因?yàn)橛?jì)算公式中風(fēng)頻分布有所不同。

優(yōu)化后的收益分析

因本文所述風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組原有PLC硬件不支持程序拓展，需要整套更換機(jī)組PLC并更新控制程序，同時(shí)更換配套的HMl人機(jī)操作界面，更換SCADA監(jiān)控、AGC、AVC服務(wù)器與相關(guān)軟件等，單機(jī)投入成本約12萬(wàn)元，總投入約396萬(wàn)元。

該風(fēng)電場(chǎng)2010年開(kāi)始建設(shè)，上網(wǎng)電價(jià)為0.54元/千瓦時(shí)，2018年12月底完成改造，按照機(jī)組設(shè)計(jì)壽命為20年，機(jī)組改造完成后剩余使用壽命為11年。根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算兩種風(fēng)況下兩種方法在半年時(shí)間內(nèi)發(fā)電量差異，在8.02m/s風(fēng)速下最優(yōu)算法比查表法的多發(fā)電量為1270.094萬(wàn)千瓦時(shí)，增加收益685.85萬(wàn)元，平均每月增加收益約114萬(wàn)元在7.21m/s風(fēng)速下最優(yōu)算法比查表法的多發(fā)電量為1101.274萬(wàn)千瓦時(shí)，增加收益594.69萬(wàn)元，平均每月增加收益約99萬(wàn)元，因此，僅需約4個(gè)月時(shí)間便可以收回投入的改造成本。

同理可以計(jì)算出剩余11年最優(yōu)算法相比查表法的發(fā)電量增加總值，按照7.21m/s風(fēng)速計(jì)算，11年最優(yōu)算法比查表法的多發(fā)電量總值為24228.028萬(wàn)千瓦時(shí)，增加收益13083.135萬(wàn)元：按照8.02m/s風(fēng)速計(jì)算，11年最優(yōu)算法比查表法的多發(fā)電量總值為27942.068萬(wàn)千瓦時(shí)，增加收益15088.717萬(wàn)元，收益可觀(guān)。

結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合某風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際發(fā)電、限電和實(shí)際采集的功率曲線(xiàn)等數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單介紹了最優(yōu)算法與查表法對(duì)實(shí)際發(fā)電量的影響。通過(guò)對(duì)實(shí)際查表法采集的功率曲線(xiàn)、最優(yōu)算法采集的功率曲線(xiàn)以及理論設(shè)計(jì)功率曲線(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析和實(shí)際驗(yàn)證，證明最優(yōu)控制比查表法控制發(fā)電能力高。依照文本的結(jié)論，通過(guò)改變老舊機(jī)組的發(fā)電控制算法可以有效提升風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量，且投入相對(duì)較少，收益可觀(guān)，對(duì)于運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)風(fēng)電場(chǎng)的提質(zhì)增效具有很好的借鑒意義。