風電機組偏航校正分析方法研究

張偉，雷陽，張中泉

(華電電力科學研究院，杭州 310030)

風電機組偏航校正分析方法研究

張偉，雷陽，張中泉

(華電電力科學研究院，杭州 310030)

偏航系統是風電機組關鍵部件之一，偏航系統存在一定的誤差角度會影響機組的發電量。提出一種基于運行數據的風電機組偏航校正分析方法，該方法依據貝茲理論建立基于分風向夾角區間的模型，將機組數據采集與監視控制(SCADA)系統中的風速、風向夾角、功率、發電機轉速、變槳角度、機組運行狀態等相關參數進行剔除后輸入模型，得到各風向夾角區間的功率曲線，通過對比分析得出機組的偏航誤差值。采用該方法對云南蒙自某風電場進行實地測試，并利用機載式激光雷達測風儀進行驗證，結果表明該分析方法是可行的。

風電機組；偏航系統；偏航校正；風向夾角；激光雷達測風儀

0 引言

風能是目前最具商業性和活力的可再生能源之一，具有成本低、清潔、對環境影響小等優點[1-2]。全球風能理事會發布報告稱，2016年全球風電新裝機容量超過54.60 GW，全球累計容量達到486.70 GW[3]。中國風能協會發布報告稱，2016年中國風電新增裝機容量為23.37 GW，累計裝機容量達到169.00 GW；其中海上風電新增裝機0.59 GW，累計裝機容量為1.63 GW[4]。風電飛速發展的同時，在設計、制造、安裝、調試、運維等過程中也逐漸暴露出一些問題。其中，偏航系統存在的偏航不對風、偏航誤差較大等問題，不僅會導致機組的發電量下降，而且會影響機組運行的穩定性及安全性。

目前，風電機組偏航校正的常規方法是參照JB/T 10425.2—2004《風力發電機組 偏航系統第2部分:試驗方法》[5]，對比羅盤的刻度線和與風輪中軸線的夾角進行偏航校正。由于機組的塔筒、機架、輪轂等部件通常由鑄鐵類磁性材料制備而成，故利用該方法存在以下問題：(1)鑄鐵影響羅盤的正常使用，導致偏航校正效果較差；(2)由于基準問題，現場較難找到風輪的中軸線；(3)校正時需停機操作，影響機組的正常運行。故制訂一套精度高、實施方便、不影響機組停機的偏航校正方法顯得尤為重要。

1 風電機組偏航校正分析方法

1.1 風電機組偏航系統誤差分析

在理想對風情況下，風電機組風輪的中軸線或其平行線與風向的夾角為0°，但由于風向儀制造、安裝、調試過程中存在無可避免的誤差，使得機組無法正對風，導致機組發電量下降。

根據空氣動力學的貝茲理論[6]，風電機組捕獲的功率P表達式如下

式中：P為風輪吸收的功率；ρ為空氣密度；A為風輪掃風面積；Cp為風能利用系數；v為風速。

風向夾角是指測風儀所測的絕對風向與機艙中軸線的夾角，取為θ。若機組偏航存在系統誤差，即機組始終無法正對風，則風電機組損失的功率Ps=P(1-cos3θ)，比如偏航誤差為5°，計算得到發電損失達1.14%。

1.2 基于區間化的偏航校正分析方法

通常情況下，風電機組風向夾角θ超過一定角度(如±15°)時機組才開始偏航，將-θ～θ之間劃分若干個區間，區間角度取為α。基于風向夾角的區間化模型如圖1所示(為直觀地顯示，模型省略了葉片、機架、塔基等部件)。

圖1 基于風向夾角的區間化模型

同樣，按照上述區間劃分方法將風速、發電機轉速、功率、機組運行狀態等參數進行區間化處理，并參考IEC61400-12-1—2005[7]標準剔除干擾數據后形成區間化的功率曲線，分析流程如圖2所示。對比各區間的功率曲線找出功率曲線最優的區間，若-α/2～α/2區間的功率曲線最優，則認為該機組不存在偏航誤差，若α/2～3α/2區間的功率曲線最優，則認為該機組偏航存在α的誤差。理論上講，α越小，偏航誤差越小。

圖2 基于運行數據的風電機組偏航校正分析流程

1.3 偏航校正分析方法的驗證

激光雷達測風儀[8-9]是利用連續波(或脈沖式)激光技術并結合多普勒定律進行風速、風向等參數的精準測量。機載式激光雷達測風儀主要參數見表1。

表1 機載式激光雷達測風儀主要參數[8]

本文參考IEC相關標準，利用機載式激光雷達測風儀進行風向夾角分區間處理，得到各區間的功率曲線，并通過實際案例經對比分析制訂一套適合風電機組偏航校正的分析方法。

2 試驗及結果分析

2.1 試驗背景

測試風電場場址位于云南省蒙自市，該風電場#30機組自投產來出力較差，從故障統計數據看，該機組故障率較低，未發現與其他機組有明顯差別；綜合考慮地形、故障、利用小時數、變槳性能等指標，懷疑#30機組的偏航系統可能存在一定的問題。

2.2 基于風向夾角區間化的偏航校正分析

采集到#30機組數據采集與監視控制(SCADA)系統中風速、風向夾角、功率、發電機轉速、變槳角度、機組運行狀態、機組停機時間、故障時間等參數，采集時間為2016-11-01—25，數據為30s平均值。

數據剔除參考IEC標準，制訂的有效數據判據如下：(1)功率大于0.1kW；(2)槳矩角小于20°；(3)發電機轉速大于1 050r/min；(4)非風速小于10m/s且槳矩角大于5°；(5)風向夾角小于15°且大于-15°；(6)非停機時間；(7)非故障時間；(8)非棄風限電時間。

數據剔除后，將#30機組的數據進行風向夾角區間化處理，區間角度為5°，區間范圍為-15°～15°，得到8個區間(見表2)，功率曲線如圖3所示。

表2 #30機組分風向夾角的8個區間

圖3 #30機組分風向夾角的8個區間功率曲線

若機組偏航性能較好，區間[-5°,0°)和區間[0°,5°)的功率曲線是最好的，但結合圖3可知，功率曲線較好的區間是區間5和區間6，即區間[0°,5°)和區間[5°,10°)。故#30機組風向儀調試時可能存在5.0°左右的偏航誤差。

2.3 基于激光雷達測風儀的驗證試驗

為驗證上述分析方法的有效性，利用機載式激光雷達測風儀進行試驗驗證。機載式激光雷達測風

儀安裝于#30機組機艙頂部，激光窗的中心線距機艙頂部距離約1.6m，現場布置圖如圖4所示。

圖4 機載式雷達測風儀現場布置

測風儀測試距離為5，15，25，45，65，95，130，163，195，260m。測風儀數據采集時間為2016-12-01—18，以1Hz的采樣速率連續采集機載測風儀后臺1s瞬時數據。

對采集數據進行處理，剔除規則參考第2.2節。數據剔除后，統計得到機載式激光雷達測風儀在不同測試距離的風向夾角平均值，見表3。

表3 激光雷達測風儀所測 #30機組風向夾角數據

由表3可知，機載式激光雷達測風儀所測不同測試距離的風向夾角總均值為5.6°，不同測試距離的風向夾角均值差異較小，故可認為#30機組的偏航存在5.6°左右的誤差，發電量損失約1.43%。該分析結果與第2.2節中計算所得的偏航誤差為5.0°的結論一致，偏差僅有0.6°，可認為上述分析方法模型精度較高。風電場根據本次分析結果對風電機組偏航系統進行了修正，理論上發電量可提高1.43%。

綜上所述，基于運行數據的分風向夾角區間的功率曲線對比分析方法可以精準計算出機組偏航的誤差值，通過機載式激光雷達測風儀進行試驗驗證，認為本文采用的基于激光雷達測風儀的風電機組偏航校正分析方法是可行的。

3 結束語

本文提出了一種基于運行數據的風電機組偏航校正分析方法，采用該方法對云南蒙自某風電場#30機組進行分析，發現機組存在5.0°左右的偏航誤差，利用機載式激光雷達測風儀進行驗證，發現#30機組存在5.6°的偏航誤差，表明本文所提出的分析方法是可行、有效的，對機組偏航系統進行修正后，理論上發電量可提高1.43%。

若將該方法推廣到整個風電場進行偏航校正，按平均一年提升1%的發電量計算，初步估算上網電價為0.50 元/(kW·h)、年等效滿負荷利用小時數為2 000、裝機容量為50MW的風電場年營收可增加約50萬元。

本文提出的分析方法不僅不需要額外加裝設備，節省人工檢查的成本，而且精度高、操作方便，對促進我國風電行業的性能分析優化技術發展具有積極意義。

[1]王夢.對我國開發利用風力發電的思考[J].中國國土資源經濟,2005,18(2):19-20.

[2]張東東.基于風向預測的風電機組偏航系統的研究[D].烏魯木齊：新疆農業大學,2014.

[3]全球風能理事會發布《全球風電統計數據2016》[EB/OL].(2017-02-14)[2017-03-16].http://mt.sohu.com/20170214/n480689925.shtml.

[4]2016年中國風電裝機統計簡報出爐[EB/OL].(2017-02-17)[2017-03-16].http://www.cet.com.cn/nypd/sy/1893861.shtml.

[5]風力發電機組 偏航系統第2部分:試驗方法：JB/T 10425.2—2004[S].

[6]BURTON T.風能技術[M].北京：科學出版社,2014.

[7]Wind turbines generator systems part 12-1：Power performance measurements of electricity producing wind turbines:IEC 61400-12-1—2005[S].

[8]馬東.激光雷達測風儀在風電機組偏航誤差測試中的應用研究[J].應用能源技術,2015(11):5-7.

[9]楊偉新，宋鵬，白愷，等.基于機艙式激光雷達測風儀的風電機組偏航控制誤差測試方法[J].華北電力技術,2016(7):59-63.

(本文責編：劉芳)

2017-03-16；

2017-04-12

TM 315

B

1674-1951(2017)04-0071-03

張偉(1981—)，男，山東濟寧人，工程師，工學碩士，從事新能源風電場設計、風資源分析、大數據分析、故障診斷技術等領域的研究(E-mail:wei-zhang@chder.com)。