風(fēng)力機(jī)偏航系統(tǒng)控制策略研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

張磊，李繼影，李欽偉，張敏策，郭云豐，張立棟*

(1.中國(guó)大唐集團(tuán)新能源科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京市 石景山區(qū) 100040；2.中廣核新能源遼寧分公司，遼寧省 沈陽市 110015；3.中國(guó)電建集團(tuán)吉林省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，吉林省 長(zhǎng)春市 130022；4.內(nèi)蒙古大唐國(guó)際新能源有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特市 010050；5.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林省 吉林市 132012)

0 引言

風(fēng)能近20年有著長(zhǎng)足的發(fā)展，作為清潔能源的主要來源[1]，風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量逐漸增大，目前國(guó)內(nèi)已開展8 MW和10 MW海上風(fēng)電試驗(yàn)樣機(jī)的制造工作。

由于風(fēng)電出力的不確定性對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行有較大影響[2-5]，因此風(fēng)力機(jī)主動(dòng)偏航系統(tǒng)是大型兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提高風(fēng)能利用率及保障機(jī)組安全的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)[6]。若風(fēng)力機(jī)偏航控制系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)隨風(fēng)向變化而頻繁動(dòng)作，將會(huì)縮短偏航機(jī)構(gòu)壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致偏航系統(tǒng)失效，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全受到影響。隨著棄風(fēng)電量逐年降低，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行小時(shí)數(shù)也相應(yīng)增加，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備故障率也隨之提高。

為了保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行單機(jī)控制以滿足風(fēng)電場(chǎng)有功功率控制[7-9]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制應(yīng)根據(jù)不同的風(fēng)況，調(diào)整其自身的控制策略。本文整理總結(jié)了偏航控制研究現(xiàn)狀及偏航控制策略，分析目前應(yīng)用情況及存在的問題，指出控制策略的發(fā)展方向，可為優(yōu)化風(fēng)力機(jī)偏航控制提供借鑒。

1 風(fēng)力機(jī)偏航系統(tǒng)控制現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)，偏航系統(tǒng)故障發(fā)生頻次為年均0.11次/臺(tái)，平均排除故障耗時(shí)50.54 h[10]。偏航系統(tǒng)是風(fēng)力機(jī)調(diào)整機(jī)艙位置的主動(dòng)控制方法，安全可靠的偏航機(jī)構(gòu)能有效提高發(fā)電效率[11]。因此，增強(qiáng)對(duì)風(fēng)力機(jī)偏航系統(tǒng)有效控制，對(duì)減小偏航故障發(fā)生概率具有較強(qiáng)現(xiàn)實(shí)意義。

風(fēng)力機(jī)偏航控制依據(jù)風(fēng)力機(jī)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition，SCADA)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)偏航系統(tǒng)的偏航方向及偏航速率進(jìn)行控制[12]，由于偏航策略不同，導(dǎo)致偏航次數(shù)、偏航方向及偏航速率等都不同。偏航系統(tǒng)具有3種基本功能，即90°側(cè)風(fēng)、解纜、自動(dòng)對(duì)風(fēng)。90°側(cè)風(fēng)是指當(dāng)風(fēng)力機(jī)需要進(jìn)行功率及轉(zhuǎn)速控制時(shí)，利用偏航系統(tǒng)使風(fēng)力機(jī)不對(duì)風(fēng)，進(jìn)而使風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速及功率快速下降；解纜是指當(dāng)電纜隨風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象時(shí)，若不及時(shí)解纜，將產(chǎn)生故障停機(jī)；風(fēng)力機(jī)偏航系統(tǒng)的自動(dòng)對(duì)風(fēng)是指使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，使風(fēng)力機(jī)能充分利用風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率。風(fēng)力機(jī)自動(dòng)偏航是目前研究熱點(diǎn)問題。

自動(dòng)偏航過程是根據(jù)風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)貝茲理論獲得，風(fēng)力機(jī)獲得功率[13]為

式中：P為風(fēng)力機(jī)發(fā)電功率；Cp為風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)；λ為葉尖速比；β為槳距角；ρ為空氣密度；S為風(fēng)力機(jī)掃風(fēng)面積；v為測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速；θ為偏航誤差。

目前兆瓦級(jí)的風(fēng)力機(jī)偏航控制仍然采用傳統(tǒng)的偏航控制方法[14]。偏航控制系統(tǒng)根據(jù)偏航角誤差及偏航延時(shí)時(shí)間，共同控制偏航速率，即控制公式(1)中θ使風(fēng)力機(jī)發(fā)電功率達(dá)到最大。

2 風(fēng)力機(jī)偏航基本控制策略

2.1 風(fēng)力機(jī)偏航控制分類

風(fēng)力機(jī)偏航控制可以分為偏航執(zhí)行控制和偏航重啟控制[13,15]，風(fēng)力機(jī)偏航控制原理如圖1所示。偏航執(zhí)行控制是通過控制偏航電機(jī)執(zhí)行策略，減少風(fēng)向與機(jī)艙角度的偏差，主要控制偏航電機(jī)轉(zhuǎn)速及偏航延時(shí)時(shí)間；偏航重啟控制是對(duì)風(fēng)系統(tǒng)只有當(dāng)風(fēng)況變化滿足風(fēng)力機(jī)預(yù)先設(shè)定的條件時(shí)才能重新啟動(dòng)偏航系統(tǒng)。

圖1 偏航控制原理Fig. 1 Principle of Yaw control

2.2 風(fēng)力機(jī)偏航執(zhí)行策略

沈小軍等[16]總結(jié)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)風(fēng)策略及偏航系統(tǒng)執(zhí)行對(duì)風(fēng)策略，采用爬山算法[17]、V-HC(Vane-hill climbing)算法[18]、KHC 算法(Kalman and hill climbing)[19-20]、改進(jìn)的隨機(jī)粒子群算法[21]、模糊控制算法[22]等偏航系統(tǒng)控制策略，在一定程度上提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的捕風(fēng)性能。由于風(fēng)向的精度對(duì)風(fēng)力機(jī)偏航過程有重要作用，近年來基于風(fēng)向預(yù)測(cè)的風(fēng)力機(jī)偏航控制算法受到較多學(xué)者關(guān)注。風(fēng)向?qū)τ诠β蕘碚f也是較為重要的參數(shù)，風(fēng)力機(jī)偏航系統(tǒng)先由風(fēng)力機(jī)的風(fēng)向標(biāo)傳感器采集風(fēng)向變化的數(shù)據(jù)，再由偏航控制器執(zhí)行該偏航動(dòng)作需求。多數(shù)學(xué)者都是基于風(fēng)力機(jī)SCADA歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)向預(yù)測(cè)及相應(yīng)的偏航優(yōu)化控制算法的設(shè)計(jì)，如表1所示。

表1 風(fēng)力機(jī)偏航執(zhí)行策略控制仿真算法Tab. 1 Simulation algorithms of yaw execution strategy control of wind turbine

楊茂等[23]提出了一種考慮風(fēng)向因素的基于Copula 理論的風(fēng)電功率不確定性預(yù)測(cè)方法，增加風(fēng)向因素后顯著提高了風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)結(jié)果。隨著算法改進(jìn)，風(fēng)向預(yù)測(cè)[24-25]及偏航誤差預(yù)測(cè)[26-28]精度提高，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制提供更精確的模型參考。Song等[26]采用風(fēng)向預(yù)測(cè)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)進(jìn)行控制，以使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組得到最大功率輸出。許炳坤[29]采用聚類算法和風(fēng)向預(yù)測(cè)相結(jié)合的偏航策略，提高了對(duì)風(fēng)精度。

由于風(fēng)向?qū)︼L(fēng)力機(jī)尾流也有較大影響[30]，因此，基于風(fēng)力機(jī)SCADA數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)向進(jìn)行矯正也非常重要[31]?？刹捎蔑L(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合概率密度函數(shù)進(jìn)行建模，同時(shí)分析4個(gè)季節(jié)風(fēng)功率密度[32]。Ahmad等[33]利用優(yōu)化偏航上游風(fēng)力發(fā)電機(jī)來減少尾流效應(yīng)，從而增加風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電的潛力。Dar等[34]利用偏航角和尾流偏轉(zhuǎn)優(yōu)化了Park和Jensen尾流模型，研究了誘導(dǎo)因子和偏航角的最佳值，使風(fēng)力機(jī)在一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)最大的總功率。

近些年，學(xué)者們對(duì)偏航系統(tǒng)優(yōu)化和風(fēng)力機(jī)其他設(shè)備(如變槳系統(tǒng))的槳距角相結(jié)合的控制算法也逐漸開展了相關(guān)的研究[35-40]。Wen等[41]對(duì)海上漂浮式風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)偏航過程中槳距角變化規(guī)律進(jìn)行研究。Liao等[42]通過考慮風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)彈性特性和控制系統(tǒng)的影響對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、俯仰角、偏航角、方位角等參數(shù)變量進(jìn)行研究，得到了約束條件，提出了一種改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法，對(duì)風(fēng)力機(jī)載荷進(jìn)行詳細(xì)的分析。王欣等[43]通過分析風(fēng)誤差隨風(fēng)速的變化趨勢(shì)，建立了不同風(fēng)速段的偏航優(yōu)化控制策略，以提升風(fēng)力機(jī)發(fā)電量。

2.3 風(fēng)力機(jī)偏航重啟策略

陳思等[13]研究了偏航重啟控制相關(guān)參數(shù)，建立偏航誤差角度和偏航誤差持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系，當(dāng)偏航誤差持續(xù)時(shí)間達(dá)到限定值時(shí)，觸發(fā)偏航指令，按照預(yù)定的偏航速率(0.5°/s)進(jìn)行偏航。

路宏[14]分析的工況是不同偏航延時(shí)時(shí)間從60～600 s以60 s間隔的6種限定值，偏航角閾值從4°～12°間隔為2°，從15°～25°間隔為5°，得出了2種參數(shù)下風(fēng)力機(jī)功率損失率、偏航次數(shù)。根據(jù)分析的結(jié)果，以額定風(fēng)速為界重新設(shè)計(jì)了不同風(fēng)速區(qū)間下的偏航重啟控制方案，給出了偏航角閾值、偏航持續(xù)時(shí)間、偏航次數(shù)的具體數(shù)值。

劉航[15]采用激光雷達(dá)對(duì)運(yùn)達(dá)風(fēng)電的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行偏航重啟策略的仿真研究，通過將風(fēng)速進(jìn)行分段控制，基于激光雷達(dá)的測(cè)量提前預(yù)測(cè)風(fēng)向與機(jī)艙位置的偏差，達(dá)到閾值后進(jìn)行偏航動(dòng)作。

2.4 偏航控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維及機(jī)組提質(zhì)增效是風(fēng)電企業(yè)面臨的重要問題，偏航優(yōu)化有效決策能有效提高風(fēng)電場(chǎng)整場(chǎng)功率[44]。但偏航控制系統(tǒng)目前都是沿用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組廠家的控制體系，針對(duì)偏航控制主要采用仿真研究，并未見到公開實(shí)際的案例。

近年來，研究轉(zhuǎn)向風(fēng)力機(jī)偏航系統(tǒng)結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)尾流效應(yīng)，提高風(fēng)電場(chǎng)整場(chǎng)功率的偏航控制算法。吳亞聯(lián)等[45]根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力機(jī)SCADA數(shù)據(jù)對(duì)整場(chǎng)控制優(yōu)化，對(duì)25臺(tái)總?cè)萘繛?25 MW的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行偏航優(yōu)化，提高風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率。Majid等[46]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：與完全無偏航條件相比，偏航角控制可使風(fēng)電場(chǎng)的整體效率提高17%。但風(fēng)電場(chǎng)整場(chǎng)的偏航優(yōu)化仍未看到有大量的使用，后期可以針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)偏航控制算法的普適性及可靠性加以深入研究。Kuo等[47]采用隨機(jī)搜索算法分析了39臺(tái)風(fēng)力機(jī)的偏航角優(yōu)化過程，結(jié)果表明：隨著風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)數(shù)量增加，偏航優(yōu)化對(duì)風(fēng)電場(chǎng)功率提升效果潛力顯著增加。

大數(shù)據(jù)技術(shù)近年來在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域有較廣泛應(yīng)用[48-49]，Malik[50]采用小波變換、希爾伯特黃變換(Hilbert-Huang transform，HHT)和臨近算法(K-nearest neighbor，KNN) 3種算法對(duì)風(fēng)力機(jī)偏航故障及其健康狀態(tài)進(jìn)行分析。McKay等[51]對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)SCADA數(shù)據(jù)采用組合靈敏度考慮多個(gè)變量相互的影響，因素包括槳距、偏航位置、主軸承和環(huán)境溫度以及風(fēng)速和偏航位置標(biāo)準(zhǔn)偏差，進(jìn)而檢測(cè)偏航等風(fēng)力機(jī)子系統(tǒng)的健康狀態(tài)。陳思等[13]采用粒子群和遺傳算法相結(jié)合，優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)壽命周期中綜合經(jīng)濟(jì)效益。高鑫[52]依據(jù)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析功率曲線和偏航誤差的關(guān)系，推斷風(fēng)力機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

偏航系統(tǒng)具有主動(dòng)對(duì)風(fēng)功能，對(duì)于提高整個(gè)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能的利用率具有十分重要的意義。偏航系統(tǒng)故障會(huì)不同程度地影響到風(fēng)能的捕獲，但若能控制較好，還能提高風(fēng)電場(chǎng)整場(chǎng)發(fā)電量。通過整理近幾年國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)風(fēng)力機(jī)控制策略現(xiàn)狀及進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)。但偏航系統(tǒng)優(yōu)化后應(yīng)用于實(shí)際風(fēng)力機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)中的研究鮮見報(bào)道，偏航系統(tǒng)控制策略主要用于控制單風(fēng)力機(jī)的偏航角，以使風(fēng)力機(jī)達(dá)到精準(zhǔn)對(duì)風(fēng)。若能將風(fēng)向、風(fēng)速和風(fēng)功率同時(shí)預(yù)測(cè)控制相結(jié)合，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)中全體風(fēng)力機(jī)進(jìn)行協(xié)同偏航控制，則可以減少風(fēng)力機(jī)偏航故障的同時(shí)使風(fēng)電場(chǎng)全場(chǎng)功率大幅提升。