基于全域感知的智能風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)應(yīng)用研究

廖雪松 劉楠 董燕 鄧雨 莫蕊瑜

風(fēng)電行業(yè)進(jìn)入平價(jià)時(shí)代后，需要以更低的成本獲得更高的發(fā)電量，“長葉片、大功率、高塔筒”成為風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展趨勢。如何在更長、更大、更高的條件下控制成本與可靠性，成為目前行業(yè)面臨的共同課題。

葉片是風(fēng)電機(jī)組主要的受力載體，為滿足行業(yè)發(fā)展的需求，其加長和輕柔設(shè)計(jì)成為風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的主要方向。但是風(fēng)輪直徑越大，塔影效應(yīng)對載荷的影響也越明顯，影響風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的不平衡度，對葉片、輪轂、主軸、偏航軸承、塔架等風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件造成很大的疲勞載荷。而隨著葉片柔性的增加，產(chǎn)生的形變越來越大，降低了風(fēng)電機(jī)組的凈空值，在某些極端工況下，可能會(huì)引發(fā)掃塔的風(fēng)險(xiǎn)。此外，還存在諸如尾流、塔筒方位標(biāo)定精度不高、塔筒固有頻率偏離等問題。受這些問題的影響，傳統(tǒng)控制方式無法使機(jī)組性能達(dá)到最優(yōu)。

有鑒于此，中國海裝從系統(tǒng)角度出發(fā)針對風(fēng)電機(jī)組的感知能力進(jìn)行了專項(xiàng)研究，在風(fēng)電機(jī)組全域感知的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套智能風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)。通過該平臺(tái)可以監(jiān)測葉片凈空、計(jì)算塔筒固有頻率、控制尾流，從而系統(tǒng)解決大型化機(jī)組所面臨的各種問題，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。

基于全域感知的智能風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)

智能風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與拓?fù)淙鐖D1、圖2所示。該平臺(tái)不僅可以打造具有自感知、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自控制能力的智能風(fēng)電機(jī)組，同時(shí)還可搭配場站級協(xié)同控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場內(nèi)機(jī)組間的協(xié)同控制，其具備的主要功能如下：

（1）全域傳感系統(tǒng)：主控系統(tǒng)部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)處理邏輯，并通過總線與傳感系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組實(shí)時(shí)狀態(tài)或環(huán)境的檢測，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）單機(jī)智能控制平臺(tái)：部署用于單機(jī)高密度數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜模型，單機(jī)智能控制平臺(tái)與主控系統(tǒng)直接通信，根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果向主控傳輸預(yù)警信息，主控系統(tǒng)根據(jù)預(yù)警級別執(zhí)行對應(yīng)邏輯。

（3）場站協(xié)同控制系統(tǒng)：通過SCADA秒級數(shù)據(jù)，利用相鄰或區(qū)域機(jī)組數(shù)據(jù)的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)補(bǔ)償及數(shù)據(jù)共享。

智能風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)技術(shù)

智能風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)由單機(jī)智能控制系統(tǒng)和場站協(xié)同控制系統(tǒng)構(gòu)成。其中，單機(jī)智能控制系統(tǒng)主要包含葉片智能感知、機(jī)艙智能感知、CMS系統(tǒng)監(jiān)測等全域感知預(yù)警技術(shù)以及單機(jī)智能控制技術(shù)等；場站協(xié)同控制系統(tǒng)主要包含尾流控制技術(shù)等。

一、葉片智能感知系統(tǒng)

（一）葉片凈空測量

針對葉片柔性增加帶來的葉片凈空問題，平臺(tái)提供了一種基于凈空監(jiān)測的控制技術(shù)，保證葉片凈空的安全。

凈空測量基于雷達(dá)波測量距離的原理，建立了塔筒中線的坐標(biāo)軸，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電機(jī)組凈空的測量，其原理如圖3所示。通過對傳感器進(jìn)行現(xiàn)場測試和標(biāo)定，為風(fēng)電機(jī)組新增了監(jiān)測葉片與塔筒間距離的功能，系統(tǒng)的測量精度為0.33m，極大避免了機(jī)組出現(xiàn)葉片掃塔的可能，提高機(jī)組的可靠性。如圖4所示，在廣西某風(fēng)電場開展了葉片凈空測試。測試結(jié)果表明，該凈空監(jiān)測方案準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了對凈空的安全監(jiān)測。

（二）葉根載荷測量

為降低機(jī)組載荷，提高機(jī)組的安全性，平臺(tái)基于中國海裝對風(fēng)電機(jī)組降載控制技術(shù)的研究，提供了基于葉根載荷傳感器載荷信號的極限載荷控制策略。其原理如圖5所示。

通過葉根載荷傳感器引入葉根載荷信號，將葉片揮舞力矩解耦到輪轂上，對點(diǎn)頭和傾覆力矩分別實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，最終輸出3支葉片各自的變槳角度，實(shí)現(xiàn)3支葉片間的差異化變槳，進(jìn)而有效減小風(fēng)輪面內(nèi)不平衡載荷，實(shí)現(xiàn)葉根載荷的降低。

如圖6所示，在新疆某風(fēng)電場開展了葉根載荷傳感器測試。測試結(jié)果表明，該葉根載荷傳感器方案準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了對葉根載荷的監(jiān)測。

同時(shí)，在風(fēng)電場對葉根極限載荷控制技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場測試。測試結(jié)果表明，該控制技術(shù)可降低機(jī)組載荷，提高機(jī)組的安全性。具體測試結(jié)果為：

（1）極限載荷：輪轂Myz降低12%，葉根Mxy降低6%。

（2）疲勞載荷：固定輪轂My降低12%，旋轉(zhuǎn)輪轂My降低25%，葉根載荷My降低15%。

二、機(jī)艙智能感知系統(tǒng)

（一）衛(wèi)星信號應(yīng)用

為了解決扇區(qū)管理、尾流控制中機(jī)艙絕對方位和坐標(biāo)測量精度不高的問題，平臺(tái)通過在風(fēng)電機(jī)組上應(yīng)用衛(wèi)星定位信號實(shí)現(xiàn)了對機(jī)艙的高精準(zhǔn)定位。

通過衛(wèi)星系統(tǒng)的現(xiàn)場標(biāo)定，對機(jī)組進(jìn)行±360°旋轉(zhuǎn)后，可以將塔筒中心位置與衛(wèi)星信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)，將衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)換為塔筒中心位移，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組塔筒中心位移距離的直接測量。

如圖7所示，在重慶某風(fēng)電場開展了衛(wèi)星信號應(yīng)用現(xiàn)場測試。測試結(jié)果（如圖8）表明，該衛(wèi)星信號應(yīng)用方案準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了對塔筒中心點(diǎn)軌跡的監(jiān)測。

通過衛(wèi)星信號的應(yīng)用，將機(jī)組中心軌跡測量分辨率提高到厘米級、機(jī)艙方位監(jiān)視分辨率提高到0.1°，有效提高了扇區(qū)管理控制、尾流控制的可靠性，并為機(jī)組的塔架載荷反演計(jì)算提供了高分辨率、高精度的中心軌跡信號（如圖9）。

（二）激光雷達(dá)前饋

平臺(tái)利用激光雷達(dá)測量技術(shù)，解決風(fēng)速儀被動(dòng)感知且滯后于實(shí)際來流的風(fēng)速測量問題。其控制原理如圖10所示。

基于風(fēng)輪前端不同距離、多個(gè)位置上的風(fēng)速變化信息，使用重構(gòu)算法準(zhǔn)確得到機(jī)組未來即將面臨的風(fēng)況，在不改變原有控制邏輯的基礎(chǔ)上，根據(jù)激光雷達(dá)測量的超前風(fēng)況數(shù)據(jù)，充分考慮機(jī)組模型與實(shí)際情況存在的差別等情況，采用變槳角度增量補(bǔ)償、偏航角度增量補(bǔ)償?shù)确绞竭M(jìn)行控制，對目前控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提高機(jī)組安全性及穩(wěn)定性，延長機(jī)組壽命，提高全壽命周期內(nèi)收益。

在新疆某風(fēng)電場開展了激光雷達(dá)測量的現(xiàn)場測試。測試結(jié)果表明，該激光雷達(dá)測量方案準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了對超前風(fēng)況的監(jiān)測。同時(shí)，對激光雷達(dá)前饋控制技術(shù)進(jìn)行的現(xiàn)場測試結(jié)果（如圖11）表明，該技術(shù)可綜合降低機(jī)組關(guān)鍵點(diǎn)載荷5%～10%，提升機(jī)組發(fā)電量水平1%～3%。

三、智能控制技術(shù)

（一）偏航自適應(yīng)控制

智能風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)基于中國海裝研發(fā)的一種偏航自適應(yīng)控制技術(shù)，可根據(jù)機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過自學(xué)習(xí)功能，對單臺(tái)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)采用峰值尋優(yōu)的控制策略。通過修訂及智能對比偏航控制參數(shù)，將優(yōu)化后的參數(shù)自動(dòng)下發(fā)到主控系統(tǒng)，更新主控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)偏航控制的自適應(yīng)及對機(jī)組的精確控制。

在山西某山地風(fēng)電場進(jìn)行偏航自適應(yīng)控制測試，通過同期數(shù)據(jù)分析得到原偏航策略和自適應(yīng)偏航策略控制精度對比結(jié)果。測試結(jié)果（如圖12）表明，自適應(yīng)偏航策略在低風(fēng)向偏差處對風(fēng)精度有較高的提升。此外，優(yōu)化后偏航次數(shù)也得到一定的降低（見表1）。

（二）塔筒頻率在線計(jì)算

海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)與陸上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)不同，其受安裝環(huán)境，如海水沖刷、洋流方向變化等因素的影響較大，海上風(fēng)電機(jī)組塔筒固有頻率通常與設(shè)計(jì)值有一定的偏差。平臺(tái)基于中國海裝開發(fā)的一種塔筒振動(dòng)頻率在線計(jì)算及機(jī)組特征頻率提取技術(shù)，通過識(shí)別出頻譜圖中的區(qū)域性峰值，自動(dòng)計(jì)算并查找出塔筒振動(dòng)的特征頻率，實(shí)現(xiàn)塔筒頻率在線計(jì)算及自動(dòng)提?。ㄈ鐖D13）的功能。

通過塔筒頻率自動(dòng)提取功能，能順利找到機(jī)組的塔筒固有頻率、傳動(dòng)鏈固有頻率等特征頻率值，準(zhǔn)確度能達(dá)到0.01Hz，分析最高頻率為5Hz，并通過智能對比算法，準(zhǔn)確利用提取的特征頻率值對控制參數(shù)進(jìn)行在線自動(dòng)修正，提高了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

四、場群尾流控制

尾流是由于風(fēng)輪阻擋了氣流流動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)組下游風(fēng)速有一定程度的減弱，湍流強(qiáng)度有一定的增加，影響下游機(jī)組的發(fā)電能效。為解決尾流給風(fēng)電機(jī)組帶來的問題，平臺(tái)基于中國海裝開發(fā)的一種風(fēng)電機(jī)組場群尾流控制技術(shù)，采用主動(dòng)偏航的方式，對風(fēng)電機(jī)組尾流進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)全場發(fā)電量最大化。

當(dāng)上游風(fēng)電機(jī)組的偏航發(fā)生改變，其尾流將會(huì)發(fā)生一定的偏移（如圖15），下游機(jī)組將避開上游機(jī)組的尾流中心線，這將明顯降低上游機(jī)組尾流對下游機(jī)組的直接影響，提高下游機(jī)組的功率表現(xiàn)。改變上游機(jī)組變槳角度主要能夠降低下游尾流風(fēng)速潰縮的情況（如圖16），提高下游機(jī)組入流風(fēng)速，降低下游機(jī)組受到的尾流影響。

在新疆某風(fēng)電場開展了場群尾流控制的現(xiàn)場測試。測試結(jié)果表明，風(fēng)電場尾流控制方法能有效降低尾流損失，使發(fā)電量提升超過10%。

總結(jié)

通過基于全域感知的智能風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)的搭建，實(shí)現(xiàn)了智能技術(shù)的擴(kuò)展，包括葉片凈空監(jiān)測、基于衛(wèi)星測量塔筒中心位移、激光雷達(dá)控制、尾流控制等功能，提高了機(jī)組的全域感知能力，增加了機(jī)組對各種運(yùn)行狀態(tài)的識(shí)別能力；并通過引入智能控制策略，結(jié)合先進(jìn)控制算法實(shí)現(xiàn)了機(jī)組智能化的目標(biāo)。基于以上全方位的智能解決方案，打造了具有自感知、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自控制能力的智能風(fēng)電機(jī)組，從而能最大限度地保證發(fā)電效率，降低人力和運(yùn)維成本，提升業(yè)主收益。

（作者單位：中國船舶集團(tuán)海裝風(fēng)電股份有限公司）