基于貝茲曲線的風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模型的研究

婁建樓　陸恒　胥佳　王沖

摘 要：針對缺乏有效風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法的問題，文章提出了基于貝茲曲線的風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模型。根據(jù)風(fēng)機(jī)控制相關(guān)理論基礎(chǔ)，對貝茲曲線進(jìn)行分區(qū)間修正，進(jìn)而得到閾值曲線，識別風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，構(gòu)建風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型能夠有效監(jiān)測風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，有助于實(shí)現(xiàn)機(jī)組的精維護(hù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；貝茲曲線；狀態(tài)監(jiān)測

風(fēng)力發(fā)電是一種綠色新型的發(fā)電技術(shù)，在技術(shù)程度、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以及成本方面都具有優(yōu)勢。然而，隨著風(fēng)電機(jī)組容量不斷增長，使得機(jī)組體積增大，事故的發(fā)生率隨之增加。面對風(fēng)電機(jī)組逐漸增長的事故率和隨之帶來的巨大的損失，許多相關(guān)人士對風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了關(guān)注[1-3]。文中根據(jù)相關(guān)機(jī)組控制理論，對貝茲曲線進(jìn)行修正，用來識別機(jī)組正常、異常的運(yùn)行狀態(tài)，構(gòu)建風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模型。

1 貝茲曲線

貝茲理論是研究風(fēng)力發(fā)電學(xué)科中相關(guān)風(fēng)能利用效率最基本的理論，它是建立在一個(gè)假定“理想風(fēng)輪”的基礎(chǔ)之上，即風(fēng)機(jī)能接受通過風(fēng)輪的流體的所有動能，且流體無阻力，流體是連續(xù)的、不能壓縮的流體。因此，由貝茲理論知理想情況下風(fēng)能所能轉(zhuǎn)換成電能的極限比值為16/27約為59.3%，既Cp≈0.593，風(fēng)電機(jī)組能得到的最大輸出功率為：

3 狀態(tài)監(jiān)測方法

3.1 貝茲曲線計(jì)算

查閱風(fēng)電機(jī)組基本參數(shù)表，得到空氣密度、葉片掃掠面積等參數(shù)數(shù)值，依據(jù)公式（1）計(jì)算得到原始貝茲曲線（x，y）={（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），（x4，y4）}。

3.2 曲線修正

對每個(gè)區(qū)間下的曲線進(jìn)行修正，進(jìn)而得到閾值曲線，具體過程如下。

3.2.1 閾值曲線上限

（1）ZoneOne：由于該區(qū)間中的貝茲曲線極為接近實(shí)測曲線，一般無需進(jìn)行修正；

（2）ZoneTwo：利用線性回歸模型y=ax+b對ZoneTwo區(qū)間中的功率曲線進(jìn)行修正。取得ZoneTwo區(qū)間內(nèi)最大風(fēng)速點(diǎn)對應(yīng)的功率值，并乘以小于1的系數(shù)？琢，默認(rèn)？琢=0.8，設(shè)該點(diǎn)為A點(diǎn)；取得ZoneOne內(nèi)最大風(fēng)速點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo)值，設(shè)為B點(diǎn)；以A、B兩點(diǎn)求得線性參數(shù)a和b的值，對ZoneTwo區(qū)間內(nèi)的曲線進(jìn)行線性修正；

（3）ZoneThree：利用線性回歸模型y=cx+d對ZoneThree區(qū)間中的功率曲線進(jìn)行修正。取得ZoneFour內(nèi)額定風(fēng)速與加入補(bǔ)充量的額定功率，設(shè)為C點(diǎn)；以A、C兩點(diǎn)坐標(biāo)求得線性參數(shù)c和d的值，對ZoneThree區(qū)間內(nèi)曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行線性修正；

（4）ZoneFour：將所有貝茲曲線的功率值加上？滓的補(bǔ)充量，默認(rèn)取得120。

3.2.2 閾值曲線下限

利用公式（3）和閾值曲線上限得到閾值曲線下限，可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3.3 狀態(tài)監(jiān)測

規(guī)定同時(shí)間點(diǎn)下功率值位于yul、ydl之間的為正常數(shù)據(jù)，其他則為異常數(shù)據(jù)。

4 工程實(shí)踐

利用我國某風(fēng)場兩臺機(jī)組3月份SCADA系統(tǒng)導(dǎo)出的10min數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。監(jiān)測風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀況，如圖2所示。

從圖2中可以看出，文章狀態(tài)監(jiān)測模型能有效識別風(fēng)機(jī)的異常狀態(tài)，且對因風(fēng)速計(jì)等故障導(dǎo)致功率曲線偏高的狀況有很好的處理效果。實(shí)驗(yàn)證明，文章構(gòu)建的風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模型能有效監(jiān)測機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀況。

5 結(jié)束語

文章提出了一種基于貝茲曲線的風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法，基于風(fēng)機(jī)控制相關(guān)控制理論，對貝茲曲線進(jìn)行分區(qū)間修正，從而得到相應(yīng)閾值曲線，識別風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，構(gòu)建風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模型。該方法簡單有效，對功率曲線偏高狀況有很好的識別效果，有利于風(fēng)電場運(yùn)維人員實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行及時(shí)維護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1]Schlechtingen， M.， Santos， I. F.， & Achiche， S.： Wind turbine condition monitoring based on SCADA data using normal behavior models. Part 1： System description. Applied Soft Computing，2013， 13（1）： 259-270.

[2]Kusiak， A.， Zheng， H.， & Song， Z.： On-line monitoring of power curves. Renewable Energy，2009，34（6）： 1487-1493.

[3]陳雪峰，李繼猛，程航，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011（9）.

作者簡介：婁建樓（1972-），男，吉林人，副教授，碩士研究生，主要研究方向：電力大數(shù)據(jù)處理。