崔 帥，陳 鋒，吉佳林，李玉麒

(烏魯木齊金風(fēng)天翼風(fēng)電有限公司，新疆 烏魯木齊 830026)

0 引言

近年來隨著世界各國對環(huán)境保護和節(jié)能減排的重視程度不斷高漲，風(fēng)力發(fā)電在能源領(lǐng)域受重視程度也越來越高，中國提出到2030年風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億千瓦以上，非石化能源消費比重達到25%左右的目標[1]，這必將推動風(fēng)電迎來新一輪快速增長。在此背景下探索風(fēng)力發(fā)電機組容錯運行技術(shù)，提高風(fēng)力發(fā)電機組可利用率、研究風(fēng)力發(fā)電機組智能監(jiān)測技術(shù)，及時發(fā)現(xiàn)機組亞健康狀態(tài)，減少發(fā)電量損失，對風(fēng)力發(fā)電具有積極意義。本文研究基于集群相似的風(fēng)力發(fā)電機組偏航角度估算方法，通過風(fēng)電場中其他相鄰機組來估算目標機組偏航角度，預(yù)期達到兩個效果：①容錯運行，即當機組風(fēng)向標損壞，需要等待備品備件到貨時(根據(jù)風(fēng)電場是否有存貨以及備件采購地點及運輸條件，一般需要一至數(shù)天時間)，采用估值偏航角度結(jié)合其他安全策略控制機組容錯運行，以盡可能減少發(fā)電損失；②實時監(jiān)測機組偏航對風(fēng)系統(tǒng)運行狀態(tài)，這是由于風(fēng)力發(fā)電機組功率輸出與葉輪掃風(fēng)面積的三次方成正比[2]，因此一旦機組偏航對風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常將影響機組發(fā)電量，通過比較估值偏航角度與實際偏航角度，發(fā)現(xiàn)偏航系統(tǒng)問題及時通知現(xiàn)場維護人員進行檢查，可減少由此帶來的機組發(fā)電量損失。

1 風(fēng)電場介紹

本文數(shù)據(jù)來源為中國西部某風(fēng)電場，電場風(fēng)電機組數(shù)量33臺，場內(nèi)地表狀況為戈壁溝壑。風(fēng)電場機位排布及地形狀況衛(wèi)星圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場機位排布及地形狀況衛(wèi)星圖

2 風(fēng)力發(fā)電機組偏航角度估值方法

風(fēng)力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)的功能是跟蹤風(fēng)向，驅(qū)動機艙沿塔架中心線旋轉(zhuǎn)，盡可能確保葉輪掃風(fēng)平面與來流風(fēng)向垂直。大型風(fēng)力發(fā)電機組一般采用主動偏航控制，即由偏航電機帶動機頭旋轉(zhuǎn)以使風(fēng)輪始終正對來風(fēng)[3]。整個偏航系統(tǒng)一般由風(fēng)向傳感器、控制器、執(zhí)行機構(gòu)、偏航位置傳感器等部分組成，通常偏航位置由風(fēng)向傳感器配合其他參照物確定，本研究的目的是通過風(fēng)電場中臨近機組偏航位置來估算當前風(fēng)機的偏航位置。用于估算偏航位置的數(shù)據(jù)可以是機組實時運行數(shù)據(jù)，也可以是SCADA數(shù)據(jù)，本研究中使用SCADA數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源探討一種基于集群相似的偏航角度估算方法。通過臨近機組偏航位置來估算當前機組偏航位置的理論基礎(chǔ)是認為風(fēng)電場空間分布遵循距離越相近，風(fēng)功率大小越相近[4]。在探討偏航估值算法時會遇到兩種情況：①風(fēng)電場機組偏航坐標與真北坐標之間關(guān)系未知；②風(fēng)電場機組偏航坐標與真北坐標之間關(guān)系已知。本文主要研究第一種情況，第二種情況為第一種情況的簡化。

設(shè)風(fēng)電場給定數(shù)據(jù)集為：

(1)

按照公式(2)分別求解全場各機組實際偏航角度與目標機組實際偏航角度的最優(yōu)真北角度轉(zhuǎn)換函數(shù)：

(2)

通過公式(2)求解得到gi(·)與hi(·)后，利用公式(3)求解通過第i臺機組實際偏航角度估算目標機組偏航角度的估算函數(shù)fi(·)以及對應(yīng)的權(quán)重因子：

(3)

其中：fi(·)為與第i臺機組相對應(yīng)的目標機組偏航角度估算函數(shù)；ωs為與第i臺機組相對應(yīng)的風(fēng)速相關(guān)權(quán)重因子，本文取為0；ωt為與第i臺機組相對應(yīng)的環(huán)境溫度相關(guān)權(quán)重因子，本文取為0；ωst為與第i臺機組相對應(yīng)的風(fēng)機狀態(tài)相關(guān)權(quán)重因子。

接下來尋找與目標機組相對應(yīng)的最佳相似機組，按照公式(4)依次計算第i臺機組與目標機組的相似性判別因子E0i：

(4)

相似性判別因子E0i最小的機組就是目標機組的最優(yōu)相似機組，取最優(yōu)相似機組的實際偏航角度θi，以及對應(yīng)的函數(shù)fi(·)、gi(·)和ωst，得到目標機組的估值偏航角度計算公式：

θe=ωst·fi(gi(θi)).

(5)

3 估值誤差評估

為檢驗風(fēng)力發(fā)電機組偏航角度估值算法的可行性，將風(fēng)電場32臺機組(全場33臺機組，其中一臺原始數(shù)據(jù)有問題)2019年1月～10月數(shù)據(jù)作為總數(shù)據(jù)集，將2019年1月19日～2019年4月31日的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)集用于求解估值函數(shù)， 將2019年5月1日～2019年10月19日數(shù)據(jù)作為測試集用于驗證算法準確度。

估值誤差Eθ采用式(6)進行評估：

Eθ=θe-θ0.

(6)

其中：θ0為目標機組實際偏航角度。

估值偏航角度對實際偏航角度的絕對平均誤差Eθa計算公式為:

(7)

由測試集數(shù)據(jù)得到的1#機組估值偏航角度與實際偏航角度誤差分布如圖2所示，全場機組估值偏航角度與實際偏航角度誤差分布及絕對平均誤差如圖3所示。

圖2 1#機組估值偏航角度與實際偏航角度誤差分布

圖3 全場機組估值偏航角度與實際偏航角度誤差分布及絕對平均誤差

4 實際應(yīng)用可能性探討

估值偏航角度潛在應(yīng)用場景有：

(1) 用于對偏航對風(fēng)系統(tǒng)異常狀態(tài)預(yù)警。當估值偏航角度與實際偏航角度偏差維持在較大值時，可能預(yù)示機組偏航對風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常。

(2) 偏航對風(fēng)系統(tǒng)容錯運行。當偏航對風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，使用估值偏航角度控制機組容錯運行。需要注意的是估值偏航角度與實際偏航角度是有偏差的，該偏差可能引起風(fēng)機載荷變化，已經(jīng)有文獻就此展開了較多研究，Li X等[5]研究了對風(fēng)偏差對海上風(fēng)機的影響并得出對風(fēng)偏差對風(fēng)機載荷影響很小的結(jié)論；Kragh等[6]還曾研究通過偏航誤差來降低載荷，并且得到在特定來流下引入大約-30°偏航偏差時葉片靜態(tài)載荷可減少70%以下的結(jié)論；Jeong等[7]研究發(fā)現(xiàn)偏航偏差會對水平軸風(fēng)機葉片氣動穩(wěn)定性帶來不利影響?；谝陨涎芯拷ㄗh在使用估值偏航角度做容錯運行時，首先需要根據(jù)機型配置進行不同偏航偏差下運行載荷的仿真分析。

5 結(jié)論及展望

基于風(fēng)電場(32臺)將近一年的運行數(shù)據(jù)，采用集群相似偏航估值算法進行分析，得到以下結(jié)論：

(1) 全場32臺機組估值偏航角度與實際偏航角度絕對平均誤差均低于10°，絕對平均誤差5°以下的共20臺機組，占比62.5%。說明該估值算法具備用于風(fēng)電場風(fēng)電機組對風(fēng)系統(tǒng)故障預(yù)警的潛力。

(2) 當機組偏航系統(tǒng)發(fā)生故障后，采用估值偏航角度做容錯運行，需要對不同偏航偏差下機組運行載荷進行仿真分析，以進行風(fēng)險評估。

本研究中由于篇幅和算力限制，未引入風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等作為權(quán)重因子進行分析，這是因為一旦引入求解會變得相當復(fù)雜(在研究過程中已經(jīng)注意到引入風(fēng)速權(quán)重將會使結(jié)果誤差進一步縮小)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解則會極大地影響求解速度且還會出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，這會是未來的一個研究方向。另外機組的位置也會對估值結(jié)果產(chǎn)生影響，這也是未來的研究方向。