風(fēng)電機(jī)組控制策略優(yōu)化及發(fā)電量提升的研究與實踐

文 | 殷宗林，肖振海，高英俊，劉春生，郝偉敏，李愛元，來建祥，張存佳，王磊

產(chǎn)業(yè)

風(fēng)電機(jī)組控制策略優(yōu)化及發(fā)電量提升的研究與實踐

文 | 殷宗林，肖振海，高英俊，劉春生，郝偉敏，李愛元，來建祥，張存佳，王磊

引言

某風(fēng)電場位于河北省境內(nèi)，場址海拔平均高度約為3m，地勢平坦，為廣闊的沿海平原，場區(qū)風(fēng)能資源豐富。風(fēng)電場共裝機(jī)66臺1.5MW風(fēng)電機(jī)組，于2010年6月投入商業(yè)運行。該風(fēng)電場機(jī)組的控制策略相對簡單粗糙，按單一的查表控制算法控制，存在最佳葉尖速比區(qū)范圍小、風(fēng)能捕獲少、轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩參數(shù)固定、環(huán)境溫度影響欠考慮、低風(fēng)速下無尋優(yōu)辨識功能等缺點，導(dǎo)致發(fā)電量無法快速跟隨功率曲線的設(shè)計要求；并且風(fēng)電場建設(shè)期間未能做到對機(jī)組的精準(zhǔn)精細(xì)調(diào)整，運行期間暴露出批次設(shè)計缺陷以及機(jī)組維護(hù)不到位等問題，造成機(jī)組故障率高，風(fēng)能利用效率相對較低，使得整個風(fēng)電場發(fā)電量偏低，嚴(yán)重影響風(fēng)電場效益。

此次優(yōu)化技改首先以該風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對象，根據(jù)風(fēng)電場機(jī)組實際微觀選址，分析風(fēng)紊流特性，針對現(xiàn)場機(jī)組葉片氣動響應(yīng)和耦合特性，嵌入自主開發(fā)的精細(xì)化模型控制算法，完成軟件系統(tǒng)研發(fā)；其次，針對故障率高的問題，調(diào)研分析風(fēng)電場機(jī)組運行狀態(tài)，進(jìn)行系統(tǒng)的研究分析，發(fā)現(xiàn)和處理機(jī)組故障和潛在故障隱患，降低機(jī)組故障率和停機(jī)時間；最后，將優(yōu)化的控制軟件應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組上，完成機(jī)組的優(yōu)化和發(fā)電量提升。

精細(xì)化模型控制原理概述

該風(fēng)電場機(jī)組在完成安裝、運行后，硬件（葉片、變槳和偏航系統(tǒng)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變頻器、塔筒等）已固化，提高機(jī)組性能的有效辦法如：加長加寬葉片、提高輪轂高度、優(yōu)化微觀選址等措施已很難采用。故考慮通過以下兩種途徑實現(xiàn)發(fā)電量的提升：

（1）采用精細(xì)化模型算法控制策略，變靜態(tài)單一參數(shù)控制為動態(tài)多參數(shù)協(xié)調(diào)控制，優(yōu)化機(jī)組控制軟件，在機(jī)組安全平穩(wěn)運行的基礎(chǔ)上實現(xiàn)發(fā)電量最大化。

（2）系統(tǒng)研究分析、及時發(fā)現(xiàn)和處理機(jī)組故障和潛在故障隱患，降低機(jī)組故障率和停機(jī)時間，提高機(jī)組可利用率。

在現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組控制策略的基礎(chǔ)上，分析并研究國內(nèi)外最先進(jìn)風(fēng)電技術(shù)，研發(fā)先進(jìn)的機(jī)組控制策略和相應(yīng)的軟件，研究內(nèi)容包括：不同環(huán)境條件下來流風(fēng)紊流特性、葉片氣動響應(yīng)特性與氣動效率優(yōu)化技術(shù)、葉輪、傳動鏈、發(fā)電機(jī)與變頻系統(tǒng)等各系統(tǒng)動態(tài)特性及其耦合特性、機(jī)組發(fā)電量最優(yōu)自動跟蹤建模與算法等。以機(jī)組發(fā)電量最優(yōu)為目標(biāo)，研究具有多輸入多輸出變量強(qiáng)耦合性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重非線性與不確定性以及系統(tǒng)參數(shù)的時變性特點的控制技術(shù)，建立仿真模型并進(jìn)行仿真算法研究。以空氣動力學(xué)基礎(chǔ)理論和風(fēng)紊流模型為起點，分析風(fēng)電機(jī)組不同風(fēng)況下的工作特性，在切入風(fēng)速與額定風(fēng)速之間，將優(yōu)化控制技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率控制策略當(dāng)中；采用精細(xì)化模型建立變槳控制函數(shù)，并結(jié)合經(jīng)典PID控制策略，動態(tài)控制進(jìn)行變槳調(diào)節(jié)，最大限度提高機(jī)組對風(fēng)能的捕獲能力。

一、功率控制

將風(fēng)電機(jī)組從葉輪獲得的能量，經(jīng)過機(jī)械傳動后，折算到高速軸側(cè)，這個過程建立動態(tài)風(fēng)能計算轉(zhuǎn)化模型進(jìn)行控制。根據(jù)最大風(fēng)能追蹤原理，應(yīng)用優(yōu)化控制方式，保證風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用率一直處于最佳水平。傳導(dǎo)至高速軸側(cè)的能量通過功率控制單元進(jìn)行調(diào)節(jié)變換，通過控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等相關(guān)參數(shù)，使機(jī)組的發(fā)電量最大化。由于控制策略中是一些不連續(xù)的開關(guān)控制，為了盡量減輕和避免控制過程中出現(xiàn)的抖振現(xiàn)象，控制算法中引入了基于經(jīng)驗的模糊化處理方式，將不連續(xù)信號連續(xù)化，以起到柔化控制系統(tǒng)的作用。圖1為風(fēng)電機(jī)組功率控制結(jié)構(gòu)示意圖。

二、變槳控制

為了使機(jī)組最有效地捕獲風(fēng)能，采用了精細(xì)化模型對變槳系統(tǒng)進(jìn)行控制。優(yōu)化的變槳控制策略根據(jù)風(fēng)速、環(huán)境溫度、壓強(qiáng)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、實時功率等多參數(shù)，并結(jié)合經(jīng)典的PID控制算法，動態(tài)調(diào)節(jié)槳距，使機(jī)組對風(fēng)能的利用率時刻處于最優(yōu)狀態(tài)。風(fēng)電機(jī)組變槳控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

優(yōu)化的變槳控制策略具有大范圍內(nèi)跟蹤最佳Cp曲線的能力，自動尋找到適合的最優(yōu)變槳角度。可以根據(jù)環(huán)境條件動態(tài)切換和調(diào)整參數(shù)，變靜態(tài)單一參數(shù)控制為動態(tài)多參數(shù)協(xié)調(diào)控制，有效地控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速。對風(fēng)的紊流特性、風(fēng)與風(fēng)輪葉片的動態(tài)作用與響應(yīng)特性、機(jī)組傳動系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性、功率轉(zhuǎn)換與變頻系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性、電網(wǎng)動態(tài)特性及以上各特性間的耦合及解耦等方面進(jìn)行優(yōu)化控制，實現(xiàn)在保證發(fā)電機(jī)安全性和可靠性的前提下，使得機(jī)組的輸出功率處于最優(yōu)。

機(jī)組現(xiàn)場運行狀態(tài)診斷、分析與治理

一、機(jī)組的全面普查

在風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化之前，對機(jī)組進(jìn)行全面檢查，確保風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化后穩(wěn)定運行。對風(fēng)電場風(fēng)資源、微觀選址等現(xiàn)場信息進(jìn)行調(diào)研。對機(jī)組進(jìn)行全面普查，包括機(jī)組硬件詳查和各子系統(tǒng)的診斷檢查，如：變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、傳動鏈、發(fā)電機(jī)、變頻系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通訊與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、后備電池組檢查、安全鏈檢查等。

二、歷史數(shù)據(jù)提取與分析

將SCADA服務(wù)器的機(jī)組運行數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，用于多發(fā)故障和潛在故障的系統(tǒng)檢測、分析與治理以及對后期優(yōu)化效果評價提供數(shù)據(jù)支持。

通過分析機(jī)組歷史數(shù)據(jù)，提前發(fā)現(xiàn)不正常數(shù)據(jù)，及時分析原因排除問題，確定檢查目標(biāo)，結(jié)合實際登機(jī)檢查，逐一排查故障點，給出解決辦法。如：齒輪箱溫度異常、控制柜溫度高的問題，現(xiàn)場及時發(fā)現(xiàn)并處理，使問題在第一時間得到解決，防止故障擴(kuò)大化。

三、重點設(shè)備的檢測與整改

通過對風(fēng)電場的調(diào)研，重點檢查機(jī)組前期的技改工作執(zhí)行到位情況，對于執(zhí)行不到位的，按照技改要求恢復(fù)到正確狀態(tài)。對現(xiàn)場機(jī)組運行狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)性分析，現(xiàn)場查看機(jī)組的實際狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)并處理了一批普遍性問題，如：滑環(huán)相關(guān)故障、變槳通訊故障、剎車間隙故障、電池檢測失敗、發(fā)電機(jī)軸承損壞率高、齒輪箱油溫高等。通過對硬件電氣故障屏蔽情況的檢查，可以有針對性地檢查軟件參數(shù)設(shè)置是否被修改，徹底排除機(jī)組存在的故障信號屏蔽等問題。最終，使得機(jī)組恢復(fù)正常的運行狀態(tài)。

發(fā)電量提升效果評價

為了使發(fā)電量提升效果更為客觀，消除偶然因素和統(tǒng)計方法的誤差，下面采用兩種方法對發(fā)電效果進(jìn)行評價：一種方法為11臺技改機(jī)組與6臺初步選定運行相對穩(wěn)定的未技改機(jī)組對比；另一種方法為11臺技改機(jī)組與11臺未技改機(jī)組對比。其中第二種方法中未技改機(jī)組是按照歷史年發(fā)電量與技改機(jī)組最為相近的原則選取，為每一臺技改機(jī)組選擇一臺未技改機(jī)組進(jìn)行對比，所以這種評價方法更具有代表性和針對性。發(fā)電量統(tǒng)計時間為技改完成前后一年，將技改前一年的數(shù)據(jù)定義為技改前機(jī)組狀態(tài)，將技改后一年的數(shù)據(jù)定義為技改后機(jī)組狀態(tài)。由于現(xiàn)場SCADA數(shù)據(jù)中存在數(shù)據(jù)丟失和數(shù)據(jù)失真的情況，故在去除這些無效數(shù)據(jù)后，按照日均機(jī)組發(fā)電量來統(tǒng)計發(fā)電量提升效果，可以消除因數(shù)據(jù)無效導(dǎo)致的統(tǒng)計誤差。

一、優(yōu)化效果初步評價

根據(jù)現(xiàn)場機(jī)組歷史運行記錄，初步選定運行相對穩(wěn)定的6臺機(jī)組作為對比機(jī)組，發(fā)電量統(tǒng)計如表1所示。

圖1 風(fēng)電機(jī)組功率控制結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 變槳控制結(jié)構(gòu)示意圖

按照以下方法計算發(fā)電量提升率：

技改前一年6臺對比機(jī)組日均發(fā)電量平均值：Xn

技改后一年6臺對比機(jī)組日均發(fā)電量平均值：Xn＋1

技改前一年11臺技改機(jī)組日均發(fā)電量平均值：Yn

技改后一年11臺技改機(jī)組日均發(fā)電量平均值：Yn＋1

經(jīng)計算得出發(fā)電量提升率R＝7.10%

由圖3可以看到，技改后所有的機(jī)組發(fā)電量均高于技改前，但技改機(jī)組的發(fā)電量提升量明顯大于對比機(jī)組。從圖中發(fā)現(xiàn)第4臺對比機(jī)組和第7臺技改機(jī)組在技改前后發(fā)電量相差很大。如果不考慮這兩臺機(jī)組（10臺技改機(jī)組和5臺對比機(jī)組），按上述方法計算，可得到發(fā)電量提升率為12.23%。

二、選擇針對性對比機(jī)組進(jìn)行評價

因為上文中提到的評價方法的標(biāo)桿機(jī)組數(shù)量較少，無法進(jìn)行有針對性的對比，所以此評價方法按照技改前三年的平均發(fā)電量，一對一選擇與技改機(jī)組發(fā)電量最相近的未技改機(jī)組作為對比機(jī)組，進(jìn)行發(fā)電量評價。11臺技改機(jī)組及11臺對比機(jī)組在技改完成后一年時間發(fā)電量統(tǒng)計如表2所示。

統(tǒng)計的發(fā)電量的提升效果評價：總發(fā)電量提升＝（技改機(jī)組總發(fā)電量/對比機(jī)組總發(fā)電量－1）×100%＝7.04%

圖3 各機(jī)組在技改前后的日均發(fā)電量統(tǒng)計圖

圖4 技改前技改機(jī)組與對比機(jī)組歷史發(fā)電量對比圖

表1 發(fā)電量統(tǒng)計（一）

表2 發(fā)電量統(tǒng)計（二）

日均發(fā)電量提升＝（技改機(jī)組日均發(fā)電量/對比機(jī)組日均發(fā)電量－1）×100%＝7.98%

從統(tǒng)計結(jié)果可見按總發(fā)電量與日均發(fā)電量計算的發(fā)電量提升率差別較小，計算結(jié)果更具可信性。

從圖4可以看到，重新選擇的對比機(jī)組與技改機(jī)組的歷史發(fā)電水平基本一致，保證了對比前提的一致性，使得一對一對比更具有針對性。

從圖5可以看到，大多數(shù)技改機(jī)組的發(fā)電量高于對比機(jī)組，但有個別機(jī)組由于故障率相對較高，發(fā)電時間少等問題，造成發(fā)電量略少于對比機(jī)組。總體上看，技改機(jī)組的發(fā)電能力要好于對比機(jī)組。

三、功率散點圖對比

功率曲線是評價風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電能力的一種重要方法，但該現(xiàn)場不具備按照國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行功率曲線測量的條件，故本次評價僅按照已有的發(fā)電量、風(fēng)速數(shù)據(jù)繪制功率散點圖進(jìn)行對比。由于各機(jī)組的地理位置不同、環(huán)境情況不同、風(fēng)速儀的測量誤差不同等多方面原因的影響，SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計的功率散點圖僅具有參考意義。

以該現(xiàn)場某技改機(jī)組為例，其功率散點圖對比如下：

由于機(jī)組的風(fēng)速儀未經(jīng)過統(tǒng)一校準(zhǔn)等客觀因素的存在，故統(tǒng)計結(jié)果存在一定的不確定性。僅從圖6和圖7的對比散點圖可以看出，技改機(jī)組超出其歷史水平和標(biāo)桿機(jī)組的運行狀態(tài)。

結(jié)語

圖5 技改后技改機(jī)組與對比機(jī)組日均發(fā)電量對比圖

圖6 某技改機(jī)組技改前后對比

圖7 某技改機(jī)組與其標(biāo)桿機(jī)組對比

該風(fēng)電場進(jìn)行的控制策略優(yōu)化及發(fā)電量提升，在不改變已有硬件的基礎(chǔ)上，只對主控程序進(jìn)行升級。經(jīng)過1年多的實際運行，機(jī)組表現(xiàn)穩(wěn)定，發(fā)電量提升效果明顯，通過對SCADA數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，發(fā)電量提升率在7%以上，充分說明了通過控制策略優(yōu)化提升發(fā)電量的辦法有效可行。

（作者單位：殷宗林，肖振海：國華愛依斯（黃驊）風(fēng)電有限公司；高英俊，劉春生，郝偉敏，李愛元，來建祥，張存佳，王磊：北京匯智天華科技有限公司）