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      基于全域感知的智能風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)應(yīng)用研究

      2020-04-19 00:16:19廖雪松劉楠董燕鄧雨莫蕊瑜
      風(fēng)能 2020年7期
      關(guān)鍵詞:葉根凈空尾流

      廖雪松 劉楠 董燕 鄧雨 莫蕊瑜

      風(fēng)電行業(yè)進(jìn)入平價(jià)時(shí)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(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)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(shè)計(jì)成為風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的主要方向。但是風(fēng)輪直徑越大,塔影效應(yīng)對載荷的影響也越明顯,影響風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的不平衡度,對葉片、輪轂、主軸、偏航軸承、塔架等風(fēng)電機(jī)組關(guān)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(fēng)電機(jī)組的凈空值,在某些極端工況下,可能會(huì)引發(fā)掃塔的風(fēng)險(xiǎn)。此外,還存在諸如尾流、塔筒方位標(biāo)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(jī)組性能達(dá)到最優(yōu)。

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

      基于全域感知的智能風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)

      智能風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與拓?fù)淙鐖D1、圖2所示。該平臺(tái)不僅可以打造具有自感知、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自控制能力的智能風(fēng)電機(jī)組,同時(shí)還可搭配場站級協(xié)同控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場內(nèi)機(jī)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)處理邏輯,并通過總線與傳感系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信,實(shí)現(xiàn)對機(jī)組實(shí)時(shí)狀態(tài)或環(huán)境的檢測,保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

      (2)單機(jī)智能控制平臺(tái):部署用于單機(jī)高密度數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜模型,單機(jī)智能控制平臺(tái)與主控系統(tǒng)直接通信,根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果向主控傳輸預(yù)警信息,主控系統(tǒng)根據(jù)預(yù)警級別執(zhí)行對應(yīng)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(jī)組數(shù)據(jù)的相關(guān)性,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)補(bǔ)償及數(shù)據(jù)共享。

      智能風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)技術(shù)

      智能風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)由單機(jī)智能控制系統(tǒng)和場站協(xié)同控制系統(tǒng)構(gòu)成。其中,單機(jī)智能控制系統(tǒng)主要包含葉片智能感知、機(jī)艙智能感知、CMS系統(tǒng)監(jiān)測等全域感知預(yù)警技術(shù)以及單機(jī)智能控制技術(shù)等;場站協(xié)同控制系統(tǒng)主要包含尾流控制技術(shù)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(tái)提供了一種基于凈空監(jiān)測的控制技術(shù),保證葉片凈空的安全。

      凈空測量基于雷達(dá)波測量距離的原理,建立了塔筒中線的坐標(biāo)軸,實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電機(jī)組凈空的測量,其原理如圖3所示。通過對傳感器進(jìn)行現(xiàn)場測試和標(biāo)定,為風(fēng)電機(jī)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(jī)組出現(xiàn)葉片掃塔的可能,提高機(jī)組的可靠性。如圖4所示,在廣西某風(fēng)電場開展了葉片凈空測試。測試結(jié)果表明,該凈空監(jiān)測方案準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了對凈空的安全監(jiān)測。

      (二)葉根載荷測量

      為降低機(jī)組載荷,提高機(jī)組的安全性,平臺(tái)基于中國海裝對風(fēng)電機(jī)組降載控制技術(shù)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(diǎn)頭和傾覆力矩分別實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,最終輸出3支葉片各自的變槳角度,實(shí)現(xiàn)3支葉片間的差異化變槳,進(jìn)而有效減小風(fēng)輪面內(nèi)不平衡載荷,實(shí)現(xiàn)葉根載荷的降低。

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

      同時(shí),在風(fēng)電場對葉根極限載荷控制技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場測試。測試結(jié)果表明,該控制技術(shù)可降低機(jī)組載荷,提高機(jī)組的安全性。具體測試結(jié)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(zhuǎn)輪轂My降低25%,葉根載荷My降低15%。

      二、機(jī)艙智能感知系統(tǒng)

      (一)衛(wèi)星信號應(yīng)用

      為了解決扇區(qū)管理、尾流控制中機(jī)艙絕對方位和坐標(biāo)測量精度不高的問題,平臺(tái)通過在風(fēng)電機(jī)組上應(yīng)用衛(wèi)星定位信號實(shí)現(xiàn)了對機(jī)艙的高精準(zhǔn)定位。

      通過衛(wèi)星系統(tǒng)的現(xiàn)場標(biāo)定,對機(jī)組進(jìn)行±360°旋轉(zhuǎn)后,可以將塔筒中心位置與衛(wèi)星信號進(jìn)行關(guān)聯(lián),將衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)換為塔筒中心位移,實(shí)現(xiàn)對機(jī)組塔筒中心位移距離的直接測量。

      如圖7所示,在重慶某風(fēng)電場開展了衛(wèi)星信號應(yīng)用現(xiàn)場測試。測試結(jié)果(如圖8)表明,該衛(wèi)星信號應(yīng)用方案準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了對塔筒中心點(diǎn)軌跡的監(jiān)測。

      通過衛(wèi)星信號的應(yīng)用,將機(jī)組中心軌跡測量分辨率提高到厘米級、機(jī)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(jī)組的塔架載荷反演計(jì)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(dá)前饋

      平臺(tái)利用激光雷達(dá)測量技術(shù),解決風(fēng)速儀被動(dòng)感知且滯后于實(shí)際來流的風(fēng)速測量問題。其控制原理如圖10所示。

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

      在新疆某風(fēng)電場開展了激光雷達(dá)測量的現(xiàn)場測試。測試結(jié)果表明,該激光雷達(dá)測量方案準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了對超前風(fēng)況的監(jiān)測。同時(shí),對激光雷達(dá)前饋控制技術(shù)進(jìn)行的現(xiàn)場測試結(jié)果(如圖11)表明,該技術(shù)可綜合降低機(jī)組關(guān)鍵點(diǎn)載荷5%~10%,提升機(jī)組發(fā)電量水平1%~3%。

      三、智能控制技術(shù)

      (一)偏航自適應(yīng)控制

      智能風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)基于中國海裝研發(fā)的一種偏航自適應(yīng)控制技術(shù),可根據(jù)機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù),通過自學(xué)習(xí)功能,對單臺(tái)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)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(dòng)下發(fā)到主控系統(tǒng),更新主控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù),實(shí)現(xiàn)偏航控制的自適應(yīng)及對機(jī)組的精確控制。

      在山西某山地風(fēng)電場進(jìn)行偏航自適應(yīng)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(yīng)偏航策略控制精度對比結(jié)果。測試結(jié)果(如圖12)表明,自適應(yīng)偏航策略在低風(fēng)向偏差處對風(fēng)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(jì)算

      海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)與陸上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)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(fēng)電機(jī)組塔筒固有頻率通常與設(shè)計(jì)值有一定的偏差。平臺(tái)基于中國海裝開發(fā)的一種塔筒振動(dòng)頻率在線計(jì)算及機(jī)組特征頻率提取技術(shù),通過識(shí)別出頻譜圖中的區(qū)域性峰值,自動(dòng)計(jì)算并查找出塔筒振動(dòng)的特征頻率,實(shí)現(xiàn)塔筒頻率在線計(jì)算及自動(dòng)提?。ㄈ鐖D13)的功能。

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

      四、場群尾流控制

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

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

      在新疆某風(fēng)電場開展了場群尾流控制的現(xiàn)場測試。測試結(jié)果表明,風(fēng)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(jié)

      通過基于全域感知的智能風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)的搭建,實(shí)現(xiàn)了智能技術(shù)的擴(kuò)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(dá)控制、尾流控制等功能,提高了機(jī)組的全域感知能力,增加了機(jī)組對各種運(yùn)行狀態(tài)的識(shí)別能力;并通過引入智能控制策略,結(jié)合先進(jìn)控制算法實(shí)現(xiàn)了機(jī)組智能化的目標(biāo)。基于以上全方位的智能解決方案,打造了具有自感知、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自控制能力的智能風(fēng)電機(jī)組,從而能最大限度地保證發(fā)電效率,降低人力和運(yùn)維成本,提升業(yè)主收益。

      (作者單位:中國船舶集團(tuán)海裝風(fēng)電股份有限公司)

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