基于損耗計算的風電偏航策略研究

董召召 謝富強

摘 要：為有效進行偏航控制，降低偏航成本，本文在介紹偏航系統工作原理的基礎上，把風力發電機偏航系統控制策略分為重啟對風策略和執行對風策略。文章在執行對風策略方面采用的是基于爬山算法的偏航系統控制策略，重啟對風策略方面采用的偏航誤差角θ和時延閾值T的整定判斷，并考慮風電機組運行維護成本和偏航軸承成本等因素提出偏航損耗的計算公式。通過仿真分析，表明該方法有效可行，從而提高偏航系統周期綜合經濟效益。

關鍵詞：風力發電機 偏航系統 重啟策略 經濟運行

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（a）-0039-02

風能作為一種儲量豐富、清潔可再生能源， 在能源領域中占據著重要的戰略地位。為提高風能的利用效率，各種有效的執行對風策略被提出；但關于延長風電機組的工作壽命方面的重啟對風策略的研究卻很少。

偏航系統能否實現高效精確的追風、穩定運行是由其控制策略直接決定的。基于VHC算法的偏航系統控制策略[1]，大范圍風向變化采用風向標控制算法，小范圍風向變化采用爬山算法，但這種算法容易形成過頻偏航。而目前大部分基于偏航誤差角θ和時延閾值T整定的偏航系統重啟對風策略[2]，容易將偏航系統壽命消耗在低風速區。

本文基于對上述控制策略的優缺點，提出基于損耗計算的重啟對風策略，使風機能夠根據風場變化情況，結合設備損耗等，延長風力發電機組的工作壽命。通過Matlab仿真實驗，結果表明該方法有效可行。

1 偏航系統重啟對風策略

1.1 重啟對風策略

目前的大型風電機組偏航系統重啟對風策略較為簡單，主要采用簡單的偏航誤差角θ和時延閾值T予以判斷，當對風誤差角θ和持續時間T大于閾值時，偏航電機執行偏航動作，啟動重新對風。但該方法考慮因素不全面，不能高效地進行重啟對風控制。本文考慮了風機的偏航齒輪磨損、運行維護費用等因素，構建重啟對風策略。

1.2 損耗計算

大型風機偏航軸承一般軸承的壽命時間（h）計算公式如下，其中n單位為：r/min。

式（2）中，Vcut-in為切入風速；Vcut-out為切出風速，P（v）是機組在風速v時的輸出功率，?v取0.01m/s。本文c和k分別取值為6.5和2。P為機組的額定功率；PAE為年發電量。偏航軸承[3]的成本是在使用windpact轉子研究開發的原始公式計算出來的。

偏航軸承成本=0.0339×（2R）2.964 （3）

風電機組的年運行維護費用為：0.007PAE美元。本文通過把偏航軸承的成本和運行維護費用折算為損耗功率（W），得：

式（4）中t為偏航電機運行時間，單位為s；Co為每秒內的損耗成本；Cm為運行維護成本。損耗成本、運行維護成本單位為W。

當風向變化時，發電機輸出功率差值可表達為：

式中△P單位為瓦（W），Pmax為發電機的最大功率；θe為偏航偏差角。

由式（4）、（5）可得代價函數：

2 仿真結果與分析

本文選取仿真參數如下：雙饋風力發電機功率為1.5 MW，輸出電壓為690V，空氣密度為ρ=1.25kg/m3，風輪半徑R=35m，風輪的轉速范圍為ω=18～20rpm，風能利用系數為Cp，風機切入風速切出風速分別為3.5m/s、25m/s。這里只考慮低于額定風速時輸出功率的變化情況，漿葉節距角β設為0。

圖1為風向、風速同時變化的仿真示意圖，仿真時間設定為10s。圖1（a）中黑色線代表的是功率增量△P，虛線代表的是功率損耗P損，圖中陰影部分表示的發電機效益虧損狀態下的輸出部分。圖1（b）表示的是執行重啟對風策略后能產生效益的折算功率輸出圖形。圖1（c）表示風速變化曲線。圖1（d）表示偏航電機的偏航角度變化曲線。在0～4.8s，14.4～19.3s期間偏航電機停止運行，其他期間為運行時間。

3 結語

仿真結果表明，變風速變風向情況下，采用該策略在保證發電機的發電功率為最佳值前提下，能夠有效地實現風力發電機的啟停控制，避免偏航電機的過多動作，降低偏航系統的磨損，提高風力發電機組的工作效率，實現風電機組的經濟運行。但需要指出，本文中的仿真是在忽略風向、風速波動的情況下進行的。在實際運用中， 這些因素要給予充分考慮。

參考文獻

[1] 王秀麗，李嵐，杜鵬，等.一種風力發電機組偏航系統的優化設計[J].可再生能源，2014（3）：416-420.

[2] 沈小軍，杜萬里.大型風力發電機偏航系統控制策略研究現狀及展望[J].電工技術學報，2015，30（10）：196-203.

[3] FingershL，Hand M，LaxsonA.Wind Turbine Design Costand Scaling Model， NREL/TP-500-4056[R].USA： NationalRenewable Energy Laboratory，2006.