一種基于SCADA數(shù)據(jù)的大型風力發(fā)電機組偏航對風性能分析方法

楊超，葉小廣，劉慶超

（1.華電福新能源股份有限公司云南分公司，云南昆明650228；2.華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

一種基于SCADA數(shù)據(jù)的大型風力發(fā)電機組偏航對風性能分析方法

楊超1，葉小廣2，劉慶超2

（1.華電福新能源股份有限公司云南分公司，云南昆明650228；2.華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

偏航系統(tǒng)是大型風力發(fā)電機組的重要組成部分，它保證機組正確對風以捕獲盡可能多的風能。在機組正常運行中，偏航系統(tǒng)的對風性能有較大差異，難以評估。針對這一問題，提出了一種基于機組SCADA數(shù)據(jù)的偏航系統(tǒng)性能分析方法，使用機組對風角度的平均值與標準差來衡量偏航系統(tǒng)性能。實際結果表明，該方法可以有效表征偏航系統(tǒng)性能，從而提高風電場的運維水平。

風力發(fā)電機組；對風角度；平均值；標準差

0 引言

隨著日益增高的能源成本與環(huán)保壓力，風力發(fā)電在當今的能源領域扮演著越來越重要的地位[1-2]。當前的大型風力發(fā)電機一般采用主動偏航形式，即機艙位置主動改變以跟蹤變化的風向，從而保證能夠維持最大的捕風能力。

其偏航系統(tǒng)主要包括偏航電機、制動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等[3]。偏航對風性能主要受其控制系統(tǒng)影響，大多數(shù)的偏航系統(tǒng)依靠風向標角度即機組當前的對風角度對機艙位置進行控制[4]。實際應用中，由于風向變化較快，機艙位置不可能實時的追蹤風向變化，機組的偏航控制受風向角度設置與偏航延遲時間的影響[5]，相同的控制策略在不同風況下的效果不盡相同。

對機組偏航對風能力的正確、全面的分析有助于對機組進行有效監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)偏航對風的問題，具有重大意義。目前一般認為對風角度保持在一定的范圍之內時機組偏航即為正常，例如±15°。然而，這種分析方法較為簡單，對整體機組偏航對風性能優(yōu)劣的代表能力有限，急需一種有效的方法對機組偏航對風性能進行更全面的分析。

本文提出一種基于SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)數(shù)據(jù)的大型風力發(fā)電機組偏航對風性能分析方法，通過對機組一段時間內的對風角度進行統(tǒng)計分析，利用平均值與標準差對機組的對風性能進行描述，不僅可以準確表述機組在長時間運行下是否保持在風向扇面正中，同時可以反映對風角度的離散程度。將此方法應用在風力發(fā)電機組在線監(jiān)測方面，可以有效分析機組偏航對風性能，為故障診斷與性能分析等提供了新手段。

1 偏航控制算法與現(xiàn)行對風性能分析方法

目前主流的偏航控制技術大多為基于風向傳感器（風向標）的控制方法，也稱V-C控制，通過安裝在機艙尾部的下風向的風向儀檢測風向，風向儀一般采用機械式或超聲波式等風向傳感器，主控制系統(tǒng)以一定采樣頻率對傳感器輸出進行采集并儲存。偏航控制器通過對一段時間內的對風角度監(jiān)測，以決定偏航電機、偏航剎車系統(tǒng)是否動作完成機艙偏航。其控制流程如圖1所示。

在對偏航對風性能分析時，通過對機組在長時間運行下的對風角度進行分析，如圖2所示。

圖1 偏航控制流程圖

由圖中可以看出，該機組的對風角度主要保持在±10°之間，然而并無法知道該機組機艙位置位于風向扇區(qū)的具體位置，也無法對對風角度的分布有直觀印象。

圖2 機組對風角度

2 基于SACADA數(shù)據(jù)的偏航對風性能分析方法

2.1 統(tǒng)計方法

應用對機組一段運行時間內對風角度的平均值統(tǒng)計對機艙位于風向扇區(qū)的位置進行表征，平均值偏離0°越大，表明機艙離中心位置越遠，偏航對風性能也就越差。平均值的計算方法為：

式中Degavr—對風角度平均值，°；

Degi—第i個對風角度采樣數(shù)值，°；

N—統(tǒng)計時間內的對風角度采樣個數(shù)。

應用對機組一段運行時間內對風角度的標準差統(tǒng)計對機組對風角度的離散程度進行表征，標準差越大，表明機艙對風角度的離散程度越大，對風角度的極大值較大同時較大的對風角度情況也越多，偏航對風性能也就越差。標準差的計算方法為：

式中Degstd—對風角度標準差，°。

2.2 案例分析

以下對云南某風電場全場33臺機組進行偏航性能分析。該風場為山地風場，地形較為復雜，機組采用國內某風機廠家1.5MW三葉片主動對風機組，采用機組30S數(shù)據(jù)間隔的對風角度平均值進行分析，分析結果如圖3所示。

圖3 云南某風場機組偏航對風性能分析結果

通過分析，將平均值的絕對值位于（0，1）區(qū)間內的機組認定為正常機組，將平均值的絕對值位于（1，2）區(qū)間內的機組認定為較差機組，將平均值的絕對值位于（2，+∞）區(qū)間內的機組認定為異常機組，可以將風場機組做以下區(qū)分：

表1 機組對風角度平均值統(tǒng)計情況

圖4 5號機組偏航運行情況

由結果可以看出，7號、12機組號偏航對風性能異常，通過與現(xiàn)場溝通，兩臺異常機組由于振動較大，經(jīng)常出現(xiàn)手動偏航情況。9號機組開始顯現(xiàn)與7號、12號類似現(xiàn)象。4號、5號、10號、11號機組現(xiàn)場風況較為復雜，同時也出現(xiàn)短時偏航異常現(xiàn)象，影響了機組整體的偏航對風性能，以5號機組為例：

圖5中，淺色線線為各個風速區(qū)間對風角度標準差，黑線表示各個風速區(qū)間對風角度的平均值。可以看出，5號機組存在大量非常規(guī)的對風角度散點。

同時，可以看出，對風角度平均值的絕對值區(qū)間位于（0，1）之間的機組，標準差基本小于10，隨著平均值絕對值的增大，標準差也有所增大。由此可以看出，該風場存在對風性能較差與異常機組，該部分機組對風角度的離散程度也較高，急需對偏航系統(tǒng)進行整改。

3 結語

風力發(fā)電機組優(yōu)秀的偏航對風能力可以提升機組的風能捕獲能力，同時保證機組健康穩(wěn)定的運行。本文提出了一種基于SCADA數(shù)據(jù)的大型風力發(fā)電機組偏航對風性能分析方法，通過統(tǒng)計機組對風角度的平均值與標準差，完成對機組偏航性能的分析與表述。

通過云南某山地風場的分析結果表明，該方法可以完成對機組偏航對風性能的分析，為風力發(fā)電機組的狀態(tài)檢測、故障診斷提供了新方法。

[1] 陳雷.大型風力發(fā)電機組技術發(fā)展趨勢[J].可再生能源，2003，（1）：27-30.

[2] 鐘偉強.國內外風力發(fā)電的概況[J].風機技術,2005，(5)：44-46.

[3] 楊志軍.風力發(fā)電機組的結構簡介[J].風機技術，2009，（3）：35-36.

[4] 陳亮,譚偉,田天.風力發(fā)電機組偏航控制研究[J].風機技術，2013，（02）：64-68.

[5] 汪萍萍.風力發(fā)電機組偏航控制系統(tǒng)的設計與研究[D].新疆農(nóng)業(yè)大學，2012.

修回日期：2016-12-02

An Analysis Method of Yaw System Performance for Large Scale Wind Turbine Based on SCADA System

YANG Chao1，YE Xiao-guang2，LIU Qing-chao2
（1.Yunnan Huadian New Energry Co.,Ltd，Kunming 650228，China；2.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Yaw system is an important part of large-scale wind turbine, it guarantees the wind turbine properly to the wind to capture as much wind as possible. In the normal operation of unit, yaw system performance is different and difficult to assess. Aiming at this problem, this paper proposes a yaw system performance analysis method based on SCADA system. We use the mean value and standard deviation of vane direction to measure the yaw system performance. Actual results show that the proposed method can effectively characterize the yaw system performance, so as to improve the operational level of wind farms.

wind turbine；vane direction；mean value；standard deviation

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.005

TM315

B

2095-3429（2016）06-0019-03

楊超（1977-），男，云南保山人，工程師，從事風機故障診斷與排查方面的研究工作。

2016-06-20