莊勇，吳士華，林濤，王建君，李波函

（北京國電思達(dá)科技有限公司，北京 100039）

1 研究背景

近兩年，國家能源局組織人員對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了抽查，并強(qiáng)調(diào)應(yīng)提高我國的風(fēng)力發(fā)電水平，在風(fēng)電運維技術(shù)和風(fēng)電運維管理模式兩方面進(jìn)一步完善和發(fā)展。風(fēng)電機(jī)組主要包括：發(fā)電機(jī)、主軸、葉片、偏航、傳感器等部分。通過表1可以發(fā)現(xiàn)偏航系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中起著不可或缺的作用，在機(jī)組所有部件中故障率和故障停機(jī)時間都是比較高。風(fēng)電場通常坐落在偏遠(yuǎn)的山區(qū)，交通不便，這對風(fēng)電機(jī)組的故障維修帶來了巨大的挑戰(zhàn)，產(chǎn)生了高昂的費用，不利于風(fēng)電能源的發(fā)展。因此通過分析故障產(chǎn)生的原因來降低故障率，提高風(fēng)場的經(jīng)濟(jì)效益是十分有必要的。影響偏航控制系統(tǒng)的主要因素是風(fēng)向，為了合理的利用風(fēng)資源，減少風(fēng)向和風(fēng)速特性帶來的不利影響，并使風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的電量可以安全的并網(wǎng)，所以對于偏航控制系統(tǒng)的研究顯得尤為重要。

表1 風(fēng)機(jī)主要部件故障率和故障停機(jī)時間

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運行時，為了使偏航控制系統(tǒng)實現(xiàn)有效對風(fēng)，需要調(diào)節(jié)偏航系統(tǒng)的機(jī)艙正對風(fēng)向儀所測的方向，但風(fēng)吹向風(fēng)向儀造成傷害后將風(fēng)向儀吹歪、風(fēng)向儀固定安裝不牢固、風(fēng)向儀制造精度不高造成了靜態(tài)偏差的產(chǎn)生，導(dǎo)致偏航系統(tǒng)不能準(zhǔn)確對風(fēng)。偏航控制系統(tǒng)存在偏航偏差閾值和偏航時間閾值，在偏航時間閾值這一時間段的平均風(fēng)向與機(jī)艙夾角超過一定偏航偏差閾值時，偏航系統(tǒng)才重新啟動對風(fēng)操作，由于滯后而引起的對風(fēng)誤差即為偏航控制策略誤差。偏航控制策略誤差不僅會減少對風(fēng)資源的捕獲，還有可能引起偏航軸承疲勞載荷增大，從而導(dǎo)致機(jī)組壽命縮短。當(dāng)風(fēng)速較小時，風(fēng)向變化頻繁，偏航系統(tǒng)為了有效對風(fēng)，機(jī)艙不斷進(jìn)行重啟對風(fēng)操作，從而影響偏航軸承的壽命。為了提高風(fēng)能利用率，提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量，需要在偏航次數(shù)增多和較高對風(fēng)精度之間尋求一種平衡，在追求高利潤的同時，還要兼顧機(jī)組的壽命，因此研究偏航控制策略誤差對提高風(fēng)能的捕獲具有重要的意義。

現(xiàn)階段，風(fēng)場遍布全國各地，隨著年限的增加，很多風(fēng)電場面臨著機(jī)組大部件問題頻發(fā)，部分機(jī)組發(fā)電效率、功率特性系數(shù)降低，這些問題將對機(jī)組的運行產(chǎn)生影響。隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量增多和并網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大，風(fēng)電場積累了大量的運行數(shù)據(jù)，越來越多的研究工作通過深入挖掘風(fēng)機(jī)運行數(shù)據(jù)所蘊含的信息，進(jìn)而展開對風(fēng)電機(jī)組的研究，所以本文綜述了偏航系統(tǒng)誤差的研究進(jìn)展，為后續(xù)研究偏航系統(tǒng)誤差的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

2 偏航系統(tǒng)優(yōu)化方法

為了充分利用風(fēng)資源在風(fēng)電機(jī)組上獲得更大的益處，關(guān)于風(fēng)電機(jī)組控制方面的研究迅速發(fā)展，在風(fēng)電機(jī)組控制方面的研究主要包含發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)。以自適應(yīng)控制和模糊邏輯控制為主的最先進(jìn)偏航控制策略廣泛應(yīng)用在發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和葉片槳距角達(dá)到控制效果。相較于發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)，國內(nèi)外學(xué)者在偏航控制系統(tǒng)的研究不是很多。目前，在偏航控制系統(tǒng)方面的研究主要有：利用測風(fēng)裝備對風(fēng)電機(jī)組上的風(fēng)向儀進(jìn)行修正以達(dá)到規(guī)定的偏航精度、基于功率檢測的爬山控制算法(V-HC算法)、基于風(fēng)況預(yù)測的偏航執(zhí)行對風(fēng)研究、將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到偏航控制器、最大風(fēng)能追蹤的偏航控制策略，這些方法使偏航系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤風(fēng)向。

2.1 基于靜態(tài)偏航誤差的優(yōu)化方法

首先，針對偏航控制系統(tǒng)靜態(tài)偏差來進(jìn)行研究，風(fēng)電機(jī)組在正常運行發(fā)電過程中，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的渦流或者風(fēng)向儀安裝不準(zhǔn)確等一系列原因都可能導(dǎo)致對風(fēng)速和風(fēng)向測量的不準(zhǔn)確，影響偏航控制器輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致偏航靜態(tài)誤差產(chǎn)生。偏航誤差的存在對風(fēng)電機(jī)組效率、葉片載荷和運行維護(hù)成本都產(chǎn)生了不利影響。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，平均偏航誤差為15°時，風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量損失可達(dá)5%～13%。國內(nèi)外學(xué)者針對偏航靜態(tài)誤差做了大量研究并提出很多方法，為消除靜態(tài)偏差，激光雷達(dá)被應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)校正。文獻(xiàn)[8]利用機(jī)艙激光雷達(dá)測得的數(shù)據(jù)來提高風(fēng)電機(jī)組的對風(fēng)準(zhǔn)確性，但由于激光雷達(dá)售價昂貴，不適合大面積使用。另外一類方法是基于歷史數(shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)對靜態(tài)偏差的有效校正。文獻(xiàn)[9]通過對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，對偏航誤差區(qū)間進(jìn)行劃分，并為每個偏航誤差區(qū)間找到最優(yōu)的發(fā)電曲線，評估多條功率曲線，以確定實際的固有失準(zhǔn)值，提高了風(fēng)場的效益。文獻(xiàn)[10]對偏航誤差區(qū)間進(jìn)行劃分，并確定每個偏航分區(qū)的功率曲線，所有的功率曲線量化性能指標(biāo)之后計算偏航誤差角，對校正偏航誤差有一定的幫助。文獻(xiàn)[11]采用改進(jìn)的DBSCAN聚類算法對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，利用雙調(diào)和樣條插值等方法對風(fēng)向儀進(jìn)行校正，提高了風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量。上述風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)靜態(tài)偏差的校正是基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計模型，在檢測快速性和準(zhǔn)確性方面表現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢。

2.2 基于風(fēng)向預(yù)測的主動偏航優(yōu)化方法

偏航控制策略誤差是不可避免的，為了減小偏航誤差對風(fēng)電性能的影響，大型風(fēng)電機(jī)組普遍采用基于風(fēng)向測量的主動偏航控制，但風(fēng)向快速變化與偏航緩慢動作之間的矛盾限制了該類控制方法的性能。為解決上述問題，基于風(fēng)向預(yù)測的偏航控制方法被提出。文獻(xiàn)[12]利用基于自回歸綜合移動平均線的卡爾曼濾波模型來預(yù)測風(fēng)向,同時提出一種基于有限控制集的模型預(yù)測控制方法，相比于在傳統(tǒng)方法的預(yù)測，提高了預(yù)測精度。文獻(xiàn)[13]選用遺傳算法對支持向量機(jī)的懲罰參數(shù)和核函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，解決了參數(shù)難以確定和模型訓(xùn)練時間過長問題，并提高了風(fēng)速預(yù)測模型的準(zhǔn)確度。以上的風(fēng)電場短期預(yù)測方法都在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，雖然這些模型對于風(fēng)向預(yù)測都有很好的預(yù)測效果，但是對于數(shù)據(jù)量大、預(yù)測精度等問題不能滿足需求，而深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在這方面表現(xiàn)了很好的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[14]通過利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network，CNN）在訓(xùn)練中可以克服梯度爆炸和消失的優(yōu)點，將CNN和門控循環(huán)單元相結(jié)合對風(fēng)向進(jìn)行預(yù)測，但由于CNN池化層會丟失有價值的信息，對于時序序列不能準(zhǔn)確預(yù)測。文獻(xiàn)[21]針對時間序列數(shù)據(jù)的復(fù)雜特性，采用VMD（Variational Mode Decomposition，VMD）算法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，得到了平穩(wěn)的信號，降低了原始序列不穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[15]利用長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Long Short-Term Memory，LSTM）在處理時間序列數(shù)據(jù)上具有記憶功能的優(yōu)點，采用其方法對風(fēng)速進(jìn)行了預(yù)測，并與其他方法進(jìn)行了對比，表現(xiàn)出很好的預(yù)測效果。但LSTM的各項超參數(shù)難以確定，如時間步長、隱藏層單元個數(shù)等。單一的預(yù)測不能表現(xiàn)出很好的優(yōu)勢，為了提高預(yù)測精度，會把各種模型的優(yōu)點組合成混合預(yù)測模型。

2.3 基于偏航控制參數(shù)的優(yōu)化方法

雖然風(fēng)向預(yù)測解決了偏航系統(tǒng)滯后問題，但是帶來了偏航次數(shù)增多，增加了偏航系統(tǒng)的故障率。為了解決此問題，智能算法被應(yīng)用于偏航控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。文獻(xiàn)[16]根據(jù)風(fēng)速設(shè)定了三個偏航區(qū)間，但對于偏航閾值和偏航時間沒有設(shè)定，只是簡單的設(shè)置了三個區(qū)間的控制模式。文獻(xiàn)[17]將風(fēng)速區(qū)間劃分為4個區(qū)間，選用概率統(tǒng)計的方法進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，沒有進(jìn)行參數(shù)的搜索尋優(yōu)。文獻(xiàn)[18]利用偏航誤差概率分布的方法確定低中高風(fēng)速段的尋優(yōu)范圍，應(yīng)用細(xì)菌群體趨藥性算法對參數(shù)進(jìn)行求解，優(yōu)化后的偏航控制策略能夠有效降低偏航次數(shù)，但是沒有考慮偏航電機(jī)消耗的電量和偏航軸承疲勞壽命。文獻(xiàn)[19]對偏航控制系統(tǒng)的壽命進(jìn)行了量化計算，以綜合經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)函數(shù)，在經(jīng)濟(jì)效益與偏航次數(shù)之間尋求了一種平衡，解決了偏航系統(tǒng)頻繁啟停與提升發(fā)電量之間的矛盾。上述方法對風(fēng)電機(jī)組的偏航時間和偏航閾值重新設(shè)定，設(shè)定的參數(shù)符合本地區(qū)的偏航控制策略，解決了風(fēng)機(jī)出廠時偏航控制參數(shù)設(shè)置相同的問題，對于提高本地風(fēng)場經(jīng)濟(jì)效益具有顯著的意義。

3 偏航系統(tǒng)研究展望

通過上述方法研究，目前對于偏航系統(tǒng)的優(yōu)化主要在靜態(tài)偏差和控制策略誤差兩方面，為了后續(xù)對其更好的研究，提出了如下兩種方案。

其一，現(xiàn)有的大型風(fēng)電機(jī)組對于偏航系統(tǒng)靜態(tài)偏差的校正主要用激光雷達(dá)技術(shù)對風(fēng)向標(biāo)進(jìn)行校正，由于激光雷達(dá)造價昂貴，不適用于大規(guī)模機(jī)組。未來采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法對靜態(tài)誤差進(jìn)行研究，并開發(fā)出偏航評估系統(tǒng)，對風(fēng)場提供更好的運維方案。

其二，風(fēng)電機(jī)組在出廠時往往制定同一種偏航控制策略，而在不同地區(qū)，不同機(jī)組之間，不同風(fēng)況下有較大差異，偏航控制區(qū)間不一定是最好的，設(shè)計適合本地區(qū)的偏航控制策略具有重要意義。風(fēng)電機(jī)組一般采用偏航容許誤差的偏航控制模式：只有當(dāng)機(jī)艙軸線和風(fēng)向的夾角超過設(shè)定的偏航閾值時，才進(jìn)行偏航動作。雖然犧牲了偏航系統(tǒng)對風(fēng)精度，降低了風(fēng)能利用率，卻提高了偏航系統(tǒng)和整個風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性，這種控制策略被大部分的風(fēng)機(jī)制造商所推崇。通過風(fēng)向預(yù)測對偏航系統(tǒng)進(jìn)行指導(dǎo)，提高了偏航系統(tǒng)的對風(fēng)精度，但在低風(fēng)速區(qū)由于偏航系統(tǒng)頻繁啟停，導(dǎo)致偏航系統(tǒng)機(jī)械部件的嚴(yán)重磨損，所以需要對偏航控制參數(shù)重新劃分，增大低風(fēng)速區(qū)間的偏航偏差閾值和偏航時間閾值。偏航控制方法如圖1所示，當(dāng)風(fēng)向儀檢測風(fēng)信號，計算偏航閾值時間段的平均風(fēng)向與機(jī)艙軸線的角度是否大于偏航閾值的最小值，如果否，不進(jìn)行偏航動作。如果是，利用風(fēng)向數(shù)據(jù)預(yù)測下一時間段的風(fēng)向，并且判斷此時的風(fēng)速是否大于切入風(fēng)速小于峰值風(fēng)速，如果是，執(zhí)行低風(fēng)速控制模式；如果否，判斷風(fēng)速是否大于峰值風(fēng)速小于額定風(fēng)速，如果是，執(zhí)行中風(fēng)速控制模式；如果否，判斷風(fēng)速是否大于額定風(fēng)速小于切出風(fēng)速，如果是，執(zhí)行高風(fēng)速控制模式；如果否，執(zhí)行停機(jī)模式。如果執(zhí)行低風(fēng)速控制模式、中風(fēng)速控制模式或者高風(fēng)速控制模式，將調(diào)節(jié)機(jī)艙位置到下一時刻預(yù)測的風(fēng)向。通過改進(jìn)的控制模式可以提高風(fēng)機(jī)的對風(fēng)精度，提升風(fēng)機(jī)的發(fā)電量，有效降低故障發(fā)生概率。

圖1 偏航控制方法流程

4 結(jié)語

本文分析了風(fēng)電機(jī)組偏航系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因，并對偏航系統(tǒng)靜態(tài)偏差和控制策略誤差兩方面進(jìn)行了綜述。在以往的偏航控制方法的研究中，主要對偏航控制系統(tǒng)參數(shù)的重新設(shè)定和風(fēng)向預(yù)測兩方面提高對風(fēng)精度，而忽略了對風(fēng)向標(biāo)的校正，通過運用已有的數(shù)據(jù)來研究風(fēng)機(jī)的偏航系統(tǒng)，并開發(fā)偏航評估系統(tǒng)，對于風(fēng)電機(jī)組的智慧運維發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。