一種基于SCADA數(shù)據(jù)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)性能分析方法

楊超，葉小廣，劉慶超

（1.華電福新能源股份有限公司云南分公司，云南昆明650228；2.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

一種基于SCADA數(shù)據(jù)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)性能分析方法

楊超1，葉小廣2，劉慶超2

（1.華電福新能源股份有限公司云南分公司，云南昆明650228；2.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

偏航系統(tǒng)是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，它保證機(jī)組正確對(duì)風(fēng)以捕獲盡可能多的風(fēng)能。在機(jī)組正常運(yùn)行中，偏航系統(tǒng)的對(duì)風(fēng)性能有較大差異，難以評(píng)估。針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種基于機(jī)組SCADA數(shù)據(jù)的偏航系統(tǒng)性能分析方法，使用機(jī)組對(duì)風(fēng)角度的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)衡量偏航系統(tǒng)性能。實(shí)際結(jié)果表明，該方法可以有效表征偏航系統(tǒng)性能，從而提高風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)維水平。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；對(duì)風(fēng)角度；平均值；標(biāo)準(zhǔn)差

0 引言

隨著日益增高的能源成本與環(huán)保壓力，風(fēng)力發(fā)電在當(dāng)今的能源領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的地位[1-2]。當(dāng)前的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用主動(dòng)偏航形式，即機(jī)艙位置主動(dòng)改變以跟蹤變化的風(fēng)向，從而保證能夠維持最大的捕風(fēng)能力。

其偏航系統(tǒng)主要包括偏航電機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等[3]。偏航對(duì)風(fēng)性能主要受其控制系統(tǒng)影響，大多數(shù)的偏航系統(tǒng)依靠風(fēng)向標(biāo)角度即機(jī)組當(dāng)前的對(duì)風(fēng)角度對(duì)機(jī)艙位置進(jìn)行控制[4]。實(shí)際應(yīng)用中，由于風(fēng)向變化較快，機(jī)艙位置不可能實(shí)時(shí)的追蹤風(fēng)向變化，機(jī)組的偏航控制受風(fēng)向角度設(shè)置與偏航延遲時(shí)間的影響[5]，相同的控制策略在不同風(fēng)況下的效果不盡相同。

對(duì)機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)能力的正確、全面的分析有助于對(duì)機(jī)組進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏航對(duì)風(fēng)的問(wèn)題，具有重大意義。目前一般認(rèn)為對(duì)風(fēng)角度保持在一定的范圍之內(nèi)時(shí)機(jī)組偏航即為正常，例如±15°。然而，這種分析方法較為簡(jiǎn)單，對(duì)整體機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)性能優(yōu)劣的代表能力有限，急需一種有效的方法對(duì)機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)性能進(jìn)行更全面的分析。

本文提出一種基于SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)數(shù)據(jù)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)性能分析方法，通過(guò)對(duì)機(jī)組一段時(shí)間內(nèi)的對(duì)風(fēng)角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用平均值與標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)機(jī)組的對(duì)風(fēng)性能進(jìn)行描述，不僅可以準(zhǔn)確表述機(jī)組在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下是否保持在風(fēng)向扇面正中，同時(shí)可以反映對(duì)風(fēng)角度的離散程度。將此方法應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方面，可以有效分析機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)性能，為故障診斷與性能分析等提供了新手段。

1 偏航控制算法與現(xiàn)行對(duì)風(fēng)性能分析方法

目前主流的偏航控制技術(shù)大多為基于風(fēng)向傳感器（風(fēng)向標(biāo)）的控制方法，也稱(chēng)V-C控制，通過(guò)安裝在機(jī)艙尾部的下風(fēng)向的風(fēng)向儀檢測(cè)風(fēng)向，風(fēng)向儀一般采用機(jī)械式或超聲波式等風(fēng)向傳感器，主控制系統(tǒng)以一定采樣頻率對(duì)傳感器輸出進(jìn)行采集并儲(chǔ)存。偏航控制器通過(guò)對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的對(duì)風(fēng)角度監(jiān)測(cè)，以決定偏航電機(jī)、偏航剎車(chē)系統(tǒng)是否動(dòng)作完成機(jī)艙偏航。其控制流程如圖1所示。

在對(duì)偏航對(duì)風(fēng)性能分析時(shí)，通過(guò)對(duì)機(jī)組在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下的對(duì)風(fēng)角度進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖1 偏航控制流程圖

由圖中可以看出，該機(jī)組的對(duì)風(fēng)角度主要保持在±10°之間，然而并無(wú)法知道該機(jī)組機(jī)艙位置位于風(fēng)向扇區(qū)的具體位置，也無(wú)法對(duì)對(duì)風(fēng)角度的分布有直觀印象。

圖2 機(jī)組對(duì)風(fēng)角度

2 基于SACADA數(shù)據(jù)的偏航對(duì)風(fēng)性能分析方法

2.1 統(tǒng)計(jì)方法

應(yīng)用對(duì)機(jī)組一段運(yùn)行時(shí)間內(nèi)對(duì)風(fēng)角度的平均值統(tǒng)計(jì)對(duì)機(jī)艙位于風(fēng)向扇區(qū)的位置進(jìn)行表征，平均值偏離0°越大，表明機(jī)艙離中心位置越遠(yuǎn)，偏航對(duì)風(fēng)性能也就越差。平均值的計(jì)算方法為：

式中Degavr—對(duì)風(fēng)角度平均值，°；

Degi—第i個(gè)對(duì)風(fēng)角度采樣數(shù)值，°；

N—統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)的對(duì)風(fēng)角度采樣個(gè)數(shù)。

應(yīng)用對(duì)機(jī)組一段運(yùn)行時(shí)間內(nèi)對(duì)風(fēng)角度的標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)對(duì)機(jī)組對(duì)風(fēng)角度的離散程度進(jìn)行表征，標(biāo)準(zhǔn)差越大，表明機(jī)艙對(duì)風(fēng)角度的離散程度越大，對(duì)風(fēng)角度的極大值較大同時(shí)較大的對(duì)風(fēng)角度情況也越多，偏航對(duì)風(fēng)性能也就越差。標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算方法為：

式中Degstd—對(duì)風(fēng)角度標(biāo)準(zhǔn)差，°。

2.2 案例分析

以下對(duì)云南某風(fēng)電場(chǎng)全場(chǎng)33臺(tái)機(jī)組進(jìn)行偏航性能分析。該風(fēng)場(chǎng)為山地風(fēng)場(chǎng)，地形較為復(fù)雜，機(jī)組采用國(guó)內(nèi)某風(fēng)機(jī)廠家1.5MW三葉片主動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)組，采用機(jī)組30S數(shù)據(jù)間隔的對(duì)風(fēng)角度平均值進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 云南某風(fēng)場(chǎng)機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)性能分析結(jié)果

通過(guò)分析，將平均值的絕對(duì)值位于（0，1）區(qū)間內(nèi)的機(jī)組認(rèn)定為正常機(jī)組，將平均值的絕對(duì)值位于（1，2）區(qū)間內(nèi)的機(jī)組認(rèn)定為較差機(jī)組，將平均值的絕對(duì)值位于（2，+∞）區(qū)間內(nèi)的機(jī)組認(rèn)定為異常機(jī)組，可以將風(fēng)場(chǎng)機(jī)組做以下區(qū)分：

表1 機(jī)組對(duì)風(fēng)角度平均值統(tǒng)計(jì)情況

圖4 5號(hào)機(jī)組偏航運(yùn)行情況

由結(jié)果可以看出，7號(hào)、12機(jī)組號(hào)偏航對(duì)風(fēng)性能異常，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)溝通，兩臺(tái)異常機(jī)組由于振動(dòng)較大，經(jīng)常出現(xiàn)手動(dòng)偏航情況。9號(hào)機(jī)組開(kāi)始顯現(xiàn)與7號(hào)、12號(hào)類(lèi)似現(xiàn)象。4號(hào)、5號(hào)、10號(hào)、11號(hào)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)況較為復(fù)雜，同時(shí)也出現(xiàn)短時(shí)偏航異?，F(xiàn)象，影響了機(jī)組整體的偏航對(duì)風(fēng)性能，以5號(hào)機(jī)組為例：

圖5中，淺色線(xiàn)線(xiàn)為各個(gè)風(fēng)速區(qū)間對(duì)風(fēng)角度標(biāo)準(zhǔn)差，黑線(xiàn)表示各個(gè)風(fēng)速區(qū)間對(duì)風(fēng)角度的平均值?？梢钥闯?，5號(hào)機(jī)組存在大量非常規(guī)的對(duì)風(fēng)角度散點(diǎn)。

同時(shí)，可以看出，對(duì)風(fēng)角度平均值的絕對(duì)值區(qū)間位于（0，1）之間的機(jī)組，標(biāo)準(zhǔn)差基本小于10，隨著平均值絕對(duì)值的增大，標(biāo)準(zhǔn)差也有所增大。由此可以看出，該風(fēng)場(chǎng)存在對(duì)風(fēng)性能較差與異常機(jī)組，該部分機(jī)組對(duì)風(fēng)角度的離散程度也較高，急需對(duì)偏航系統(tǒng)進(jìn)行整改。

3 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組優(yōu)秀的偏航對(duì)風(fēng)能力可以提升機(jī)組的風(fēng)能捕獲能力，同時(shí)保證機(jī)組健康穩(wěn)定的運(yùn)行。本文提出了一種基于SCADA數(shù)據(jù)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)性能分析方法，通過(guò)統(tǒng)計(jì)機(jī)組對(duì)風(fēng)角度的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，完成對(duì)機(jī)組偏航性能的分析與表述。

通過(guò)云南某山地風(fēng)場(chǎng)的分析結(jié)果表明，該方法可以完成對(duì)機(jī)組偏航對(duì)風(fēng)性能的分析，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)檢測(cè)、故障診斷提供了新方法。

[1] 陳雷.大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].可再生能源，2003，（1）：27-30.

[2] 鐘偉強(qiáng).國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的概況[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2005，(5)：44-46.

[3] 楊志軍.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2009，（3）：35-36.

[4] 陳亮,譚偉,田天.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制研究[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2013，（02）：64-68.

[5] 汪萍萍.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

修回日期：2016-12-02

An Analysis Method of Yaw System Performance for Large Scale Wind Turbine Based on SCADA System

YANG Chao1，YE Xiao-guang2，LIU Qing-chao2
（1.Yunnan Huadian New Energry Co.,Ltd，Kunming 650228，China；2.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Yaw system is an important part of large-scale wind turbine, it guarantees the wind turbine properly to the wind to capture as much wind as possible. In the normal operation of unit, yaw system performance is different and difficult to assess. Aiming at this problem, this paper proposes a yaw system performance analysis method based on SCADA system. We use the mean value and standard deviation of vane direction to measure the yaw system performance. Actual results show that the proposed method can effectively characterize the yaw system performance, so as to improve the operational level of wind farms.

wind turbine；vane direction；mean value；standard deviation

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.005

TM315

B

2095-3429（2016）06-0019-03

楊超（1977-），男，云南保山人，工程師，從事風(fēng)機(jī)故障診斷與排查方面的研究工作。

2016-06-20