張磊 賈蘭宇 史百賀 張聿強(qiáng) 王輝

我國十年前采用的老舊風(fēng)電機(jī)組無論是在技術(shù)水平，還是質(zhì)量水平上，與新機(jī)組相比都有很大差距，主要體現(xiàn)為性能差、發(fā)電量低。為了使機(jī)組在剩余服役期內(nèi)創(chuàng)造更多的發(fā)電效益，改善老舊機(jī)組性能，提升機(jī)組發(fā)電量成為當(dāng)前受到迫切關(guān)注的問題。隨著技術(shù)不斷革新，針對風(fēng)電場老舊機(jī)組的發(fā)電量提升可以提供多種有效可行的方案，包括增高塔簡、加長葉片以捕獲更多的風(fēng)能，更改機(jī)組發(fā)電策略提高動態(tài)響應(yīng)等。但是增高塔簡與葉片加長方案的工程量、改造投資均較大。相比之下，更改主控控制策略的方案更易于實(shí)施。因此，優(yōu)化主控控制策略成為老舊機(jī)組提升發(fā)電量、降低成本且顯著增加效益的一種可選方案。

本文以最優(yōu)控制與查表法為研究對象，對比分析了相同機(jī)型情況下使用此兩種控制策略產(chǎn)生實(shí)際發(fā)電量的差異，同時計(jì)算了優(yōu)化控制策略所提升發(fā)電量帶來的收益，并通過實(shí)際數(shù)據(jù)證明最優(yōu)控制算法比查表法控制在發(fā)電能力上更優(yōu)越。在不改變機(jī)組其他部件的情況下，對主控算法進(jìn)行合理優(yōu)化，增大風(fēng)能捕獲，可以有效改善機(jī)組的實(shí)際功率曲線，提升機(jī)組發(fā)電量。

最優(yōu)控制與查表法的差異

查表法是基于常規(guī)的轉(zhuǎn)速一功率或轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩查表控制方法?？刂扑惴ㄆ髦械墓β驶蜣D(zhuǎn)矩均為固定空氣密度下的給定，由于空氣密度與環(huán)境的氣壓、溫度相關(guān)，氣壓和溫度的實(shí)時變化會導(dǎo)致功率或轉(zhuǎn)矩的實(shí)際給定與最優(yōu)給定存在一些偏差，從而影響發(fā)電效果。而最優(yōu)控制策略可以有效彌補(bǔ)上述方法的不足。

最優(yōu)控制算法是按照最佳轉(zhuǎn)矩關(guān)系式對轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使風(fēng)電機(jī)組在各個風(fēng)速段的轉(zhuǎn)矩平滑變化，不發(fā)生跳變，最大限度適應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械特性。風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速之間運(yùn)行，通過轉(zhuǎn)矩控制，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后轉(zhuǎn)換為恒轉(zhuǎn)速控制。最優(yōu)控制算法將風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)劃分為四個階段，分別為轉(zhuǎn)速恒定階段、變轉(zhuǎn)速運(yùn)行階段、恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行階段、恒功率運(yùn)行階段。在轉(zhuǎn)速恒定階段采用轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制，獲取低風(fēng)速段的最大風(fēng)能捕獲;在變轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)域，根據(jù)風(fēng)電場信息，把空氣密度、海拔高度等信息輸入控制算法，使風(fēng)電機(jī)組能夠自動跟蹤，實(shí)時調(diào)整模型增益系數(shù)，獲得最佳Cp;在高風(fēng)速階段，控制槳距角以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，采用最優(yōu)控制算法控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)速下的發(fā)電控制。

最優(yōu)控制相對查表法控制存在如下優(yōu)勢：

（1）最優(yōu)控制的功率曲線比查表法好。

（2）最優(yōu)控制可以提前達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，最大限度適應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械特性。

（3）最優(yōu)控制保持的最佳葉尖速比的速度范圍比查表法更寬。

（4）最優(yōu)控制相對于查表法更容易抑制機(jī)組振動，特別是在風(fēng)況變化比較頻繁的情況下。風(fēng)電機(jī)組功率曲線和功率保證值計(jì)算方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T18451.2-2012風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性測試》與《IEC61400-12風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性測試》相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，本文采用的功率曲線分析方法如下：

（1）折算發(fā)電量為風(fēng)頻分布值與實(shí)測功率曲線值的乘積。

（2）保證發(fā)電量為風(fēng)頻分布值與風(fēng)電場實(shí)際空氣密度下保證的功率曲線值的乘積。

（3）功率曲線保證值k為折算發(fā)電量與保證發(fā)電量的比值。

（4）風(fēng)頻分布采用Rayleigh分布描述，計(jì)算公式如下：

式中，AEP為年發(fā)電量;Nh為一年總小時數(shù)，按照365天計(jì)算為8760小時;Ⅳ為區(qū)間的數(shù)目;Vi為第i個區(qū)間規(guī)格化后的平均風(fēng)速;Pi為第i個區(qū)間規(guī)格化后的平均輸出功率。

算法優(yōu)化前后的實(shí)際發(fā)電量對比

興安盟某風(fēng)電場使用33臺風(fēng)輪直徑為77米的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)電機(jī)組控制算法自投產(chǎn)以來至2018年10月一直為查表法;2018年10月，將風(fēng)電機(jī)組發(fā)電算法優(yōu)化為最優(yōu)控制。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際統(tǒng)計(jì)，對優(yōu)化前后的半年實(shí)際發(fā)電量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其風(fēng)速和發(fā)電量數(shù)據(jù)分別如下：

查表法：2018年1月至6月的平均風(fēng)速為8.02m/s，實(shí)際發(fā)電量為6346.616萬千瓦時，限電損失電量為1309萬千瓦時，2018年上半年的有效發(fā)電量AEP（查表法實(shí)測電量）為實(shí)際發(fā)電量與限電損失電量之和，即7655.616萬千瓦時。

最優(yōu)控制：2019年1月至6月的平均風(fēng)速為7.21m/s，實(shí)際發(fā)電量為7536.87萬千瓦時，限電損失電量為202萬千瓦時，2019年上半年的有效發(fā)電量AEP（最優(yōu)控制實(shí)測電量）為實(shí)際發(fā)電量與限電損失電量之和，即7738.87萬千瓦時。

由以上數(shù)據(jù)可以非常直觀地看出，2019年上半年相對于2018年上半年的風(fēng)速下降了0.81m/s，而有效發(fā)電量增加了83.254萬千瓦時。以理論功率曲線為基準(zhǔn)，使用基于Rayleigh分布的年度發(fā)電量計(jì)算公式，可以計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)功率曲線在7.21rn/s風(fēng)速下的保證發(fā)電量：單臺機(jī)組的年保證發(fā)電量為487.138萬千瓦時（見表1），通過單臺機(jī)組的年保證發(fā)電量可以計(jì)算風(fēng)電場的半年保證發(fā)電量AEP（7.21）為8037.777萬千瓦時：標(biāo)準(zhǔn)功率曲線在8.02m/s風(fēng)速下的保證發(fā)電量：單臺機(jī)組的年保證發(fā)電量為561.847萬千瓦時（見表2），通過單臺機(jī)組的年保證發(fā)電量可以計(jì)算風(fēng)電場的半年保證發(fā)電量AEP（8.02）為9270.5755萬千瓦時。用2018年實(shí)測發(fā)電量粗略計(jì)算發(fā)電量保證值k（查表法）=AEP（查表法實(shí)測電量）/AEP（8.02）×100%，為82.58%;用2019年實(shí)測發(fā)電量粗略計(jì)算發(fā)電量保證值k（最優(yōu)控制）=AEP（最優(yōu)控制實(shí)測電量）/AEP（7.21）×100%，為96.28%，計(jì)算結(jié)果得出最優(yōu)控制接近機(jī)組的理論保證發(fā)電量，發(fā)電量提升比例為13.7%。

通過以上數(shù)據(jù)反推計(jì)算2018年如果使用最優(yōu)算法在8.02m/s風(fēng)速下的實(shí)際應(yīng)發(fā)電量AEP（8.02最優(yōu)應(yīng)）=AEP（8.02）×k最優(yōu)控制=8925.71萬千瓦時，計(jì)算得出在該風(fēng)速下最優(yōu)算法比查表法多發(fā)電量為AEP（8.02最優(yōu)應(yīng)）-AEP（查表法實(shí)測電量）=1270.094萬千瓦時。同理計(jì)算2019年如果使用查表法在7.21m/s風(fēng)速下的實(shí)際應(yīng)發(fā)電量AEP（7.21查表應(yīng)）=AEP（7.21）×k查表法=6637.596萬千瓦時，計(jì)算得出在該風(fēng)速下查表法比最優(yōu)算法少發(fā)電量為AEP（最優(yōu)控制實(shí)測電量）-AEP（7.21查表應(yīng)）=1101.274萬千瓦時。

查表及最優(yōu)控制的功率曲線對比

進(jìn)行主控控制算法優(yōu)化后，SCADA采集2019年上半年3臺標(biāo)桿風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際功率曲線與其他任意3臺機(jī)組的實(shí)際功率曲線，其中09#、16#、3 1#風(fēng)電機(jī)組為現(xiàn)場標(biāo)桿機(jī)組。標(biāo)桿機(jī)組采集功率曲線數(shù)據(jù)見表3，非標(biāo)桿機(jī)組采集功率曲線數(shù)據(jù)見表4，功率曲線如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6所示（藍(lán)色曲線為理論功率曲線，紅色為最優(yōu)控制算法SCADA導(dǎo)出的實(shí)際功率曲線，綠色為查表法SCADA導(dǎo)出的實(shí)際功率曲線）。通過繪制的功率曲線可以看出，查表法SCADA導(dǎo)出的實(shí)際功率曲線低于理論功率曲線，最優(yōu)控制SCADA導(dǎo)出的實(shí)際功率曲線高于理論功率曲線，功率曲線提升明顯。

通過SCADA采集的實(shí)際功率曲線計(jì)算查表法與最優(yōu)控制在7.21m/s與8.02m/s風(fēng)速下的保證發(fā)電量。由于現(xiàn)場機(jī)組均存在個體差異，因此，各臺機(jī)組采集的功率曲線數(shù)據(jù)不能完全一致，現(xiàn)場80%機(jī)組采集的功率曲線與標(biāo)桿機(jī)組09#、16#機(jī)組采集的功率曲線圖形相近，因此，以下使用16#標(biāo)桿風(fēng)電機(jī)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。使用基于Rayleigh分布的年度發(fā)電量計(jì)算公式，可以計(jì)算出查表法的功率曲線在7.21m/s風(fēng)速下的保證發(fā)電量：單臺機(jī)組的年保證發(fā)電量為421.318萬千瓦時（見表5），通過單臺機(jī)組的年保證發(fā)電量可以計(jì)算風(fēng)電場的半年保證發(fā)電量AEP（查表曲線7.21）為6951.747萬千瓦時。

標(biāo)準(zhǔn)功率曲線在8.02m/s風(fēng)速下的保證發(fā)電量：單臺機(jī)組的年保證發(fā)電量為494.732萬千瓦時（見表6），通過單臺機(jī)組的年保證發(fā)電量可以計(jì)算風(fēng)電場的半年保證發(fā)電量AEP（查表曲線8.02）為8 163.078萬千瓦時。

計(jì)算功率曲線保證值k（查表7.21）=AEP（查表曲線7.21）/AEP（7.21）×100%=86.49%，功率曲線保證值k（查表8.02）=AEP（查表曲線8.02）/AEP（8.02）×100%=88.05%。

使用基于Rayleigh分布的年度發(fā)電量計(jì)算公式，可以計(jì)算出最優(yōu)控制的功率曲線在7.21m/s風(fēng)速下的保證發(fā)電量：單臺機(jī)組的年保證發(fā)電量為540.513萬千瓦時（見表7），通過單臺機(jī)組的年保證發(fā)電量可以計(jì)算風(fēng)電場的半年保證發(fā)電量AEP（最優(yōu)控制7.21）為8918.4645萬千瓦時。

標(biāo)準(zhǔn)功率曲線在8.02m/s風(fēng)速下的保證發(fā)電量：單臺機(jī)組的年保證發(fā)電量為615.914萬千瓦時（見表8），通過單臺機(jī)組的年保證發(fā)電量可以計(jì)算風(fēng)電場的半年保證發(fā)電量AEP（最優(yōu)控制8.02）為10162.581萬千瓦時。

計(jì)算功率曲線保證值k（最優(yōu)7.21）=AEP（最優(yōu)控制7.21）/AEP（7.21）×100%=110.96%，功率曲線保證值k（最優(yōu)8.02）=AEP（最優(yōu)控制8.02）/AEP（8.02）×100%=109.62%。

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，在7.21m/s風(fēng)速下最優(yōu)控制比查表法的功率曲線保證發(fā)電量AEP提升了24.47%，在8.02m/s風(fēng)速下最優(yōu)控制比查表法的功率曲線保證發(fā)電量AEP提升了21.57%，功率曲線提升效果明顯。

機(jī)組實(shí)際與保證發(fā)電量對比分析

將查表法替換為最優(yōu)控制后，實(shí)際發(fā)電量計(jì)算結(jié)果表明提升發(fā)電量比例為13.7%，使用功率曲線計(jì)算出來的保證發(fā)電量提升比例超過20%，其原因?yàn)楹笳呤菣C(jī)組在無故障停機(jī)及無維護(hù)檢查情況下的發(fā)電量，而風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行存在一定的故障比例與一定的維護(hù)檢修時間，包括升壓站設(shè)備停電檢修試驗(yàn)等因素均影響機(jī)組的實(shí)際發(fā)電量，因此，機(jī)組實(shí)際發(fā)電量低于理論發(fā)電量。而根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以得出，在7.21m/s風(fēng)速下保證發(fā)電量提升的比例比8.02m/s風(fēng)速下保證發(fā)電量提升比例高出約3%，可以得出同一功率曲線在不同風(fēng)速條件下的提升比例也不同，其主要原因?yàn)橛?jì)算公式中風(fēng)頻分布有所不同。

優(yōu)化后的收益分析

因本文所述風(fēng)電場機(jī)組原有PLC硬件不支持程序拓展，需要整套更換機(jī)組PLC并更新控制程序，同時更換配套的HMl人機(jī)操作界面，更換SCADA監(jiān)控、AGC、AVC服務(wù)器與相關(guān)軟件等，單機(jī)投入成本約12萬元，總投入約396萬元。

該風(fēng)電場2010年開始建設(shè)，上網(wǎng)電價為0.54元/千瓦時，2018年12月底完成改造，按照機(jī)組設(shè)計(jì)壽命為20年，機(jī)組改造完成后剩余使用壽命為11年。根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算兩種風(fēng)況下兩種方法在半年時間內(nèi)發(fā)電量差異，在8.02m/s風(fēng)速下最優(yōu)算法比查表法的多發(fā)電量為1270.094萬千瓦時，增加收益685.85萬元，平均每月增加收益約114萬元在7.21m/s風(fēng)速下最優(yōu)算法比查表法的多發(fā)電量為1101.274萬千瓦時，增加收益594.69萬元，平均每月增加收益約99萬元，因此，僅需約4個月時間便可以收回投入的改造成本。

同理可以計(jì)算出剩余11年最優(yōu)算法相比查表法的發(fā)電量增加總值，按照7.21m/s風(fēng)速計(jì)算，11年最優(yōu)算法比查表法的多發(fā)電量總值為24228.028萬千瓦時，增加收益13083.135萬元：按照8.02m/s風(fēng)速計(jì)算，11年最優(yōu)算法比查表法的多發(fā)電量總值為27942.068萬千瓦時，增加收益15088.717萬元，收益可觀。

結(jié)語

本文結(jié)合某風(fēng)電場的實(shí)際發(fā)電、限電和實(shí)際采集的功率曲線等數(shù)據(jù)，簡單介紹了最優(yōu)算法與查表法對實(shí)際發(fā)電量的影響。通過對實(shí)際查表法采集的功率曲線、最優(yōu)算法采集的功率曲線以及理論設(shè)計(jì)功率曲線進(jìn)行簡單分析和實(shí)際驗(yàn)證，證明最優(yōu)控制比查表法控制發(fā)電能力高。依照文本的結(jié)論，通過改變老舊機(jī)組的發(fā)電控制算法可以有效提升風(fēng)電場的發(fā)電量，且投入相對較少，收益可觀，對于運(yùn)行時間較長風(fēng)電場的提質(zhì)增效具有很好的借鑒意義。