基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性分析

王永剛，田林云，郝立剛

（山西潤(rùn)世華綜合能源管理有限公司，太原 030032）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為我國(guó)目前新能源發(fā)電中的主流設(shè)備，近年來(lái)一直是相關(guān)部門(mén)的研究重點(diǎn)。基于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的快速發(fā)展，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)是歷史必然［1］。人因工程作為一種新興交叉學(xué)科，在西方國(guó)家受到了廣泛應(yīng)用，主要指的就是將人的因素學(xué)應(yīng)用到工程中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)工程的優(yōu)化。目前學(xué)術(shù)界針對(duì)人因工程這一名詞仍沒(méi)有統(tǒng)一的解釋?zhuān)艘蚬こ淘诟鱾€(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用可謂越來(lái)越廣。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的融合發(fā)展速度越來(lái)越快，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性分析成為當(dāng)下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流發(fā)展研究方向［2］。在我國(guó)，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性分析可謂少之又少，在研究領(lǐng)域存在很大空白有待填補(bǔ)。通過(guò)搜索相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，僅有關(guān)于此方面的研究為通過(guò)計(jì)算兩者之間的相關(guān)性度量，分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性，但此分析方法的原理是靜態(tài)分析，在實(shí)際應(yīng)用中存在分析殘差高的現(xiàn)象，證明研究存在很大局限性。為彌補(bǔ)這一不足，運(yùn)行數(shù)據(jù)作為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，能夠直觀、動(dòng)態(tài)地反映出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。因此，有理由將運(yùn)行數(shù)據(jù)應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性分析中，基于此，本文基于運(yùn)行數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)一種新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性分析方法，致力于最大限度上降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性分析殘差。

1 相關(guān)性分析概述

相關(guān)性分析在本質(zhì)上指的就是分析兩個(gè)變量之間的關(guān)聯(lián)程度，進(jìn)而判斷兩個(gè)變量中間是否存在潛在的內(nèi)部聯(lián)系［3］。對(duì)于相關(guān)性分析中的兩個(gè)變量，其先后順序沒(méi)有主次之分，必須在保證兩個(gè)變量具有相等地位的基礎(chǔ)上加以分析。在相關(guān)性分析概述中，本文通過(guò)計(jì)算相關(guān)系數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，具體內(nèi)容如下文所述。

1.1 計(jì)算相關(guān)系數(shù)

本文結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，假定兩個(gè)序列為a、b，則有a＝（a1，a2，…，an）；b＝（b1，b2，…，bn），其中n指的是兩個(gè)序列中的變量個(gè)數(shù)，為實(shí)數(shù)。設(shè)兩個(gè)序列為a、b之間的相關(guān)系數(shù)表達(dá)式為r（a，b），可得下式：

式中：cov 為兩個(gè)序列之間的相似度；D 為兩個(gè)序列之間的空間距離；i為兩個(gè)序列的分維數(shù)；為a序列的平均值為b序列的平均值。

通過(guò)式（1）計(jì)算得出a、b 之間的相關(guān)系數(shù)，基于此，可得出r的取值基本范圍，如表1 所示。

表1 r的取值基本范圍

結(jié)合表1 所示r 的取值基本范圍，當(dāng)r 的取值大于或等于0，則表明兩個(gè)變量之間存在相關(guān)關(guān)系，具體相關(guān)程度如表1 所示；但當(dāng)r的取值小于0，則表明兩個(gè)變量之間不存在相關(guān)關(guān)系。

1.2 檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)

在計(jì)算相關(guān)系數(shù)的基礎(chǔ)上，考慮到變量之間的相關(guān)系數(shù)伴隨著一定的不確定性，因此，為保證相關(guān)性分析的置信度，必須檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)［4－5］。本文采用Spss 統(tǒng)計(jì)分析軟件，計(jì)算r 的置信度，設(shè)此過(guò)程的目標(biāo)函數(shù)為t，可得下式：

通過(guò)式（2），得出相關(guān)系數(shù)的置信度，當(dāng)t ≥0.5 時(shí)，則能夠通過(guò)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)，否則，則不通過(guò)檢驗(yàn)。在通過(guò)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)的前提下，完成變量之間的相關(guān)性分析。

2 基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性分析方法

以上文相關(guān)性分析的概述為理論依據(jù)，將兩個(gè)變量設(shè)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程，在此基礎(chǔ)上，基于運(yùn)行數(shù)據(jù)分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性［6］。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性分析具體內(nèi)容如下。

2.1 采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性分析過(guò)程中，必須基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)特征，采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA 運(yùn)行數(shù)據(jù)，以此判斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)屬性［7－8］。采集的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)主要包括：有功功率、風(fēng)向角、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、漿距角、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組側(cè)向振動(dòng)。設(shè)定允許錯(cuò)誤率在0.5%以下，采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2.2 繪制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各量與人因工程之間關(guān)系散點(diǎn)圖

采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將上述數(shù)據(jù)代入相關(guān)性分析中的相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式，得出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各量與人因工程之間的相關(guān)性計(jì)算結(jié)果，如表2 所示。由表可知，影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各量與人因工程之間的相關(guān)性最明顯的因素就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組側(cè)向振動(dòng)［9－10］。

表2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各量與人因工程之間的相關(guān)性

基于此，依據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組側(cè)向振動(dòng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，繪制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各量與人因工程之間關(guān)系散點(diǎn)圖，如圖1 所示。由圖可知，設(shè)定人因工程的變量為風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各量與人因工程之間關(guān)系為正比例增長(zhǎng)關(guān)系，以此為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各量與人因工程之間的相關(guān)性結(jié)果，為下文分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各量與人因工程之間關(guān)系散點(diǎn)圖

2.3 分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性

以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各量與人因工程之間關(guān)系散點(diǎn)圖為依據(jù)，分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性，將人因風(fēng)速分為3個(gè)階段，分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性，第一階段為人因風(fēng)速小于或等于5.0 m／s時(shí)；第二階段為人因風(fēng)速在5.0～15 m／s范圍內(nèi)時(shí)；第三階段為人因風(fēng)速在15 m／s以上時(shí)。

具體分析內(nèi)容如下。

（1）當(dāng)風(fēng)力發(fā)電組的風(fēng)速小于或等于5.0 m／s 時(shí)，此時(shí)可認(rèn)為風(fēng)速小于人因風(fēng)速，即存在風(fēng)速過(guò)低可能無(wú)法帶動(dòng)機(jī)組運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題［11］。在此種情況下，機(jī)能無(wú)可持續(xù)供應(yīng)的電能，機(jī)組無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效發(fā)電，槳距角此時(shí)約為90°。此時(shí)由于風(fēng)速過(guò)低，風(fēng)輪無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)鏈與傳動(dòng)鏈均缺少動(dòng)力對(duì)其的支撐，此時(shí)影響風(fēng)力發(fā)電組供電的因素應(yīng)為風(fēng)速。此時(shí)，機(jī)組一側(cè)的振動(dòng)約為0.3～0.5 mm，軸承在運(yùn)動(dòng)中的振幅約為0.35 mm，當(dāng)振幅保持不變而風(fēng)速在發(fā)生變化的情況下，所產(chǎn)生的風(fēng)陣，對(duì)發(fā)電機(jī)的影響也較為微弱。

（2）當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)定風(fēng)速在5.0～15 m／s范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)可認(rèn)為風(fēng)速大于人因風(fēng)速，此時(shí)槳距角度從90°變化到0°，即風(fēng)速可實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)機(jī)組運(yùn)動(dòng)，并網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)發(fā)電［12］。根據(jù)槳距角軸度的變化解決變流器調(diào)整產(chǎn)生的磁場(chǎng)問(wèn)題。此時(shí)根據(jù)風(fēng)速的實(shí)際大小，控制風(fēng)能系數(shù)，獲取在風(fēng)能系數(shù)最大的瞬間，認(rèn)為在風(fēng)速4.5 m／s的時(shí)刻，風(fēng)速變化產(chǎn)生的振動(dòng)軸距加大，因此可實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)動(dòng)。并且，可認(rèn)為隨著供電風(fēng)力系數(shù)的不斷增加，在相同軸距范圍內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速也同步增加，此種行為滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定行為［13］?？紤]到在機(jī)組側(cè)向的軸距可能存在線性增加趨勢(shì)，因此在調(diào)整風(fēng)速過(guò)程中，可根據(jù)傳動(dòng)軸中槳距角的變化，分析產(chǎn)生的負(fù)荷現(xiàn)象，是否對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行振動(dòng)產(chǎn)生顯著影響。

（3）當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在正常運(yùn)行狀態(tài)下，其額定風(fēng)速在15 m／s以上時(shí)，即可認(rèn)為風(fēng)速過(guò)大，已超出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的額定電流值［14－15］。在此狀態(tài)下，槳距角同步增大，為了有效地利用風(fēng)能發(fā)電，降低風(fēng)能的受阻行為，此時(shí)可采用調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪系數(shù)的方式，使機(jī)組的扇葉的轉(zhuǎn)速達(dá)到最高。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)轉(zhuǎn)速的散點(diǎn)圖，進(jìn)行振動(dòng)幅度的分析。整合分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在此種運(yùn)行狀態(tài)下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)輪速度極高，甚至達(dá)到了超負(fù)荷供電狀態(tài)。

綜合上述提出的3 點(diǎn)分析，可顯著地看出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行與自然風(fēng)速、槳距角的變化等均具有直接的關(guān)系。以此，完成基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性分析。

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為構(gòu)建實(shí)例分析，實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取某風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，主要機(jī)械設(shè)備計(jì)劃表信息，包括：塔架，規(guī)格為12～13 m3；2 臺(tái)并網(wǎng)控制器，型號(hào)為BW－150 逆變器；4 臺(tái)發(fā)電機(jī)，型號(hào)為MGY－60；葉片以及加固件。首先使用本文基于運(yùn)行數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)方法，分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性，通過(guò)黑盒工具－QAcenter測(cè)得相關(guān)性分析殘差，記為實(shí)驗(yàn)組；再使用傳統(tǒng)方法，分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性，同樣通過(guò)黑盒工具－QAcenter測(cè)得相關(guān)性分析殘差，記為對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容為測(cè)試兩種方法的相關(guān)性分析殘差，相關(guān)性分析殘差越低證明分析精度越高。針對(duì)黑盒工具－QAcenter 測(cè)得的相關(guān)性分析殘差，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，共設(shè)置6 次實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相關(guān)性分析殘差對(duì)比結(jié)果如表3 所示。由表可知，本文設(shè)計(jì)方法相關(guān)性分析殘差明顯低于對(duì)照組，具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。

表3 相關(guān)性分析殘差對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性分析，能夠取得一定的研究成果，解決傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性分析中存在的問(wèn)題。由此可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的方法是具有現(xiàn)實(shí)意義的，能夠指導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性分析方法優(yōu)化。在后期的發(fā)展中，應(yīng)加大運(yùn)行數(shù)據(jù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性分析中的應(yīng)用力度。截至目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的相關(guān)性分析仍存在一些問(wèn)題，在日后的研究中還需要進(jìn)一步對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與人因工程的融合優(yōu)化設(shè)計(jì)提出深入研究，為提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的綜合性能提供參考。