基于风速时间组合死区的风力发电机再切入控制

尹祖亮， 苏 盛， 滕明星， 陈 众， 杨洪明

(1.长沙理工大学 智能电网运行与控制湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410114；2.广东省绿色能源技术重点实验室， 广东 广州 510006)

基于风速时间组合死区的风力发电机再切入控制

尹祖亮1,2， 苏 盛1,2， 滕明星1,2， 陈 众1， 杨洪明1

(1.长沙理工大学 智能电网运行与控制湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410114；2.广东省绿色能源技术重点实验室， 广东 广州 510006)

强热带风暴条件下，风力发电机组可能因风速波动而反复启动和切出停机，对风机的安全性和可靠性构成突出威胁。因台风时风速变化率大，现行单独采用风速死区的再切入控制方法难以有效避免风机反复启停。提出了基于风速、时间组合死区的风力发电机再切入控制方法，采用减少单位切出次数损失停机时间为经济指标，为确定控制方案参数设置提供辅助参考。根据香港长洲气象站10 min平均风速展开的分析表明，基于风速、时间组合死区的再切入控制在减少切出次数和损失停机时间上均明显优于目前单独采用风速死区方案，有效避免高风速下频繁启停造成的磨损与老化，提高风力发电机的可靠性和安全性，具有很强的实际应用价值。

风力发电机组； 组合死区； 再切入风速

0 引 言

风力发电机组多处于山野，运行环境恶劣，故障率高，不但检修维护费用高昂，还会因故障停机会降低机组可用率，影响并网发电[1]。据统计，陆上发电机的可用率一般在95%至99%之间。因海上风力发电机组技术不如陆上机组成熟，且检修维护还需要视海况择期出海，可用率显著低于陆上风电场[2]，有的海上风电场可用率甚至仅在60%至70%之间。统计数据表明，海上风电场检修维护成本高达风电场售电总收入的30%。因海上检修维护困难，降低海上风电场检修成本的最佳途径是尽量降低故障的发生概率。

海上风电场易受台风侵袭。强热带风暴条件下，风力发电机组承受的机械载荷有显著增加，严重威胁机组的安全性和可靠性[3-5]。为避免强风条件下承受超设计值的风载荷，风力发电机组设置有切出风速(多为25 m/s)。当检测到风速大于切出风速时顺浆刹车停机。当风速在切出风速上下波动时，风机将频繁启停，可能明显提高风电机组的故障概率。

为避免风机在强风条件下频繁启停，近年来，风机厂商开始引入风速死区[6]，即在风机遭遇强风切出停机后，设置低于切出风速的再切入风速(多为23 m/s)，只有当风速低于该值时才重新启动机组并网发电。因台风条件下风速变化率较大，2 m/s的风速死区并不一定能有效避免机组反复启停。因强热带风暴过境一般会持续2～3 h，也可设置再切入的时间死区，判断风速持续低于再切入风速超过一定时间后再行启动。

图1中，红色虚线和蓝色实线为再切入风速死区的上下限，灰色阴影区为时间死区(30 min)。由图可见，单独采用风速死区时风机将在330 min时启动然后马上停机，如叠加时间死区则可有效避免。

图1 风力发电机切出-再切入死区Fig.1 Dead band in cutout and recutin of wind turbines

需要指出的是，以上风力发电机组切出次数的减少实际上是以增加停机时间、减少发电出力为代价换取的。设置较宽的风速、时间死区虽然能减少切出次数，提高可靠性，间接降低维护费用和因故障停机造成的电量损失；但也会延长强热带风暴前后接近满发条件下的停机时间，直接减少发电量。需要综合分析不同方案下切出次数和停机时间，方可优化风速、时间组合死区的参数设置。

本文利用沿海气象站风速数据，深入分析风速、时间组合死区对切出次数和发电出力影响的规律，进而提出了风速、时间组合死区的设置方法。

1 风速数据

我国东南沿海地区风力资源充沛，是近年风能资源开发的重点区域，未来还将重点建设海上风电场。需要指出的是，该区域也是我国主要强热带风暴登陆地。强热带风暴登陆时，严重威胁沿线风电场风力发电机组的安全性，屡屡造成风机叶片折损乃至整机倒塔的安全事故。

珠江口外伶仃洋一带建设有198 MW的桂山海上风电场，相去不远的香港南丫岛也规划建设海上风电场。该地域易遭强热带风暴侵袭，亟待研究适用的风力发电机再切入控制策略。香港长洲气象站位于南丫岛和桂山海上风电场之间[6]，远离人口稠密地区，无明显建筑物遮挡，记录的风速数据能较真实地反应强热带风暴过境时的风速波动情况，其位置示意如图2。本文选取该站点观测风速，研究适用于当地气象特征的风机在切入控制策略。

图2 风电场地理位置Fig.2 HK wind farm location

长洲气象站记录有1992年3月30日到2013年5月8日的10米高度10 min平均风速。因近地层风速存在沿海拔变化的风切变，可用式(1)将测量风速折算到风机轮毂高度的风速。

(1)

式中：h0为地表粗糙度长度；h1为需要折算的气象站地面10米测风高度；h2为风力发电机组轮毂高度；v为对应高度的风速值。

地表粗糙度长度表征来自地面的摩擦效应，是决定近地层风速梯度的主要参数，与地表特征密切相关[7]。因长洲岛上覆盖大面积林地，可取其h0为300 mm。风机轮毂高度h2可按现代大功率海上风机取值80 m。由式(1)可得：

v(h2)=1.534v(h1)

(2)

根据式(2)可以将10 m高空风速数据折算到轮毂高度风速，用于分析不同的风速和时间死区组合对邻近海上风电场风机切出再启动的控制效果。

2 长期风速变化分析

根据折算的长洲气象站风速数据，1992至2013年间邻近风电场风力发电机组在无风速和死区条件下累计切出299次，折合每年切出13次。以前后两次风速大于25 m/s的间隔2 h为界，可将间隔时间大于2 h的切出视为无法通过死区消除的风机切出动作。对风机轮毂高度风速的分析表明，有高达198次切出动作间隔时间在2 h以内，可能通过死区设置予以消减；而间隔时间大于2 h无法消减的切出动作为101次。

采用风速死区可在一定程度上减少切出次数。为分析风速死区下切出次数的下降规律。以0.5 m/s为步长，设置再切入风速从24.5 m/s到20.0 m/s十种死区，计算每种死区下的切出次数。因减少切出次数是以降低发电出力时间为代价取得的，也计算每种死区下较无死区时增加的停机时间。因台风前后停机时间下多为风电机组可按额定功率出力的高风速风况，为简化分析，近似认为设置死区引起的停机时间等效于满发时间的减少。根据前述分析，将不同风速死区下的切出次数、引起的停机时间及对应每减少一次切出损失的满发时间绘制如图3，详情列如表1。由图表可见：

引入风速死区对降低切出次数有明显作用。按风机常用的23 m/s设置再切入风速时，切出次数可从299次减少111次下降为188次，但距离最低可能的101次仍有相当的消减空间。当再切入风速下降到20 m/s时，切出次数可低至113次。

增大风速死区对降低切出次数的贡献有一定递减效应。风速死区在22.5 m/s以上时，每增加0.5 m/s死区减少的切出次数在18到46次间，均值为26.6次；此后最多为14次，均值为10.6次。

采用不同风速死区与其引起的停机时间近似呈线性关系，当风速死区设置为20 m/s时，由风速死区引起的停机时间为221 h。

因增大风速死区对降低切出次数存在饱和效应，对应降低切出次数的成本也呈增长趋势。风速死区设置为常规的23 m/s时，每减少一次切出将损失0.74 h的满发电量，而风速死区设置到20 m/s时，损失将达到1.19 h满发电量。

图3 不同风速死区下切出次数与停机时间Fig.3 Times of cutout & parking time with various re-cutin speed

Tab.1 Times of cutout and induced parking time & power loss with various re-cutin speed

再切入风速/m·s-1切出次数停机时间/h切出次数成本/(h/次)250299--2452532367051240235388306123521163830732301888183074225166106170802201531248308621513914750092210126178671032051201953310920011322100119

由表可见，即便设置20 m/s再切入风速死区，切出次数仍有113次。作者认为台风时风速变化率大可能是风速死区效果不彰的原因。气象学上将17.2 m/s以上风速称为热带风暴或台风[8]，以下以此为临界点，统计分析高、低风速条件下的10 min风速变化率，并将其绘制如图4所示。

图4中，红色柱形图表征高风速变化率分布，灰色柱形图表征低风速变化率分布。由图可见：

各种风速条件下风速变化率均呈快速衰减趋势，绝大多数时间的风速变化率较小。

低风速条件下，99.1%的10 min风速变化率集中在3 m/s以下；其中，1 m/s以下的占80.8%，1 m/s至2 m/s之间的占15.5%，而2 m/s的至3 m/s之间的占2.7%。

高风速时，10 min风速变化率分布较分散。10 min风速变化率小于3 m/s的仅占91.4%。，而小于5 m/s的也只占到97.9%。因此，简单降低再切入风速并不一定能有效减少台风下的切出次数。

图4 高、低风速10 min风速变化率分布Fig.4 Distribution of wind variation with high/low wind regime

3 时间死区效益分析

高风速条件下10 min风速变化率大，因此在风电场遭遇台风时风电机组在短时间内很可能出现多次切出，表2中统计了10 min到120 min内风力发电机连续两次切出再切入的次数。

表2 各时间区间内连续切出再启动次数

根据表2可知，60 min内连续切出再切入次数次数占87.6%。风机的切出再切入主要集中在第一次切出后的较短时间内，结合台风等强风过境持续时间短这一特点，为了便于分析计算在2小时内，以10 min为步长，设置再切入时间死区从10 min到110 min十一种时间死区，计算每种死区下的切出次数、增加的停机时间及对应每减少一次切出损失的满发时间，绘制如图5，详情列如表3。由图表可见：

图5 不同时间死区下切出次数与停机时间Fig.5 Times of cutout and parking time with various dead time

增大时间死区对降低切出次数的贡献有明显的饱和递减效应。在60 min以内增大时间死区能明显降低切出次数，减少的切出次数占总切出次数的59%，此后效益非常有限。这可能是强热带风暴过境持续时间多在2 h以内造成的。

增大时间死区与其造成的停机时间有明显线性关系。增大时间死区后，降低单位切出次数的成本随之增加；采用60 min时间死区时，减少单位次数切出损失0.89 h满发电量；而采用110 min死区时，损失达到1.26 h满发电量。因60 min以上时间死区对降低切出次数效果已不甚明显，可考虑选择60 min及以内时间死区。

表3不同时间死区下切出次数与电量损失

Tab.3 Times of cutout and induced parking time & power loss with various dead time

死区时间/min切出次数停机时间/h切出次数成本/(h/次)0299--1021235670422017564830523015690830644014611517075501341375008360122157830897011417683096801131956710590110214001131001052315011911010124900126

4 风速时间组合死区效益分析

由前节分析可见，不论采用风速死区还是时间死区，都存在一定的饱和效应。实际上，有可能利用两种死区的组合来以较小的停机时间损失为代价换取最大可能的消减切出次数。

以0.5 m/s为步长，从24.5 m/s到20.0 m/s设置死区风速，与从10 min到110 min设置时间死区进行组合，仿真计算了每种组合下的切出次数和停机时间，分别将其绘制如图6和图7所示。

图6 组合死区下的切出次数Fig.6 Times of cutout with various dead time & dead band

图7 组合死区下的停机时间Fig.7 Parking time with various dead time & dead band

由图可见：

风速死区、时间死区和切出次数构成的二次曲面呈抛物面状，风速和时间死区较小时切出次数快速下降，时间死区在60 min以上及再切入风速在22 m/s以下时扩大死区对减小切出次数的作用明显劣化。

风速、时间死区和停机时间构成的二次曲面呈平面状，停机时间大致和风速及时间死区的宽度成比例。

因有限的风速和时间死区对停机时间影响不大，又能有效降低切出次数，可以通过设置少量的风速、时间组合死区提升控制效果。

选择风速、时间组合死区的目标是在可接受的停机时间范围内最小化切出次数。采用图6、图7的3D立体图难以直观判断选择合适的组合死区设置。为方便判断，根据前述仿真数据计算减少单位切出次数损失停机时间，以此为指标绘制等值图如图8，并将几种对比方案的再切入风速、时间死区及对应的切出次数和减少单位切出次数损失停机时间列如表4。

图8中，横坐标为死区时间，纵坐标为再切入风速，图中线条为减少单位切出次数平均损失停机时间等高线，等高线上数值为减少单位切出次数平均损失的满发小时数。由图表可见：

图8 减少单位切出次数损失停机时间分布图Fig.8 Distribution of parking hour per reduction in re-cutout

方案再切入风速/m·s-1时间死区/min切出次数切出次数成本/(h/次)A2301880737B24101690295C2101261033D22301050951E23501050991F24601060999G25901101035

采用常用的23 m/s再切入风速死区方案A时，切出次数仅从299次下降到188次，远未接近不可消减的101次切出，而对应的减少单位切出次数损失停机时间却高达0.737 h。

在风速和时间死区都较小的左上角，设置组合死区降低次数所需付出的停机时间损失较小。如采用24 m/s再切入风速、10 min死区时间的B方案，减少单次切出的停机时间损失仅为0.295 h，而其对应的切出次数为169次，远低于A方案。

确定组合死区方案时，可接受的减少单位次数切出损失停机时间是关键指标。如选择减少单位次数切出可付出1.0 h左右的满发电量损失，可选的方案有C(21 m/s再切入风速、无死区时间)、D(22 m/s再切入风速、30 min死区时间)、E(23 m/s再切入风速、50 min死区时间)、F(24 m/s再切入风速、60 min死区时间)和G(无再切入风速、90 min死区时间)等五种。其中C方案和G方案仅采用单种死区，无论是减少的再切入次数(169次和110次)还是付出的满发电量损失(1.033 h和1.035 h)均劣于其它三种方案。另三种方案的切出次数和损失电量较为接近，且切出次数已非常接近于不可消减切出次数(101次)，均可视为可行方案。

5 结 论

针对台风条件下风速变化率较大、单独采用风速死区难以有效避免风力发电机组反复切出停机的问题，提出基于风速、时间组合死区的再切入控制方法。根据历史数据进行的仿真分析表明，根据可接受的单位切出次数损失满发时间选择风速、时间组合死区可显著降低台风下风机启停次数，效果明显优于现行单独采用风速死区的再切入控制策略。单位切出次数损失停机时间为确定组死区设置的关键，本文根据香港地区风速数据选择1 h停机时间为依据确定死区参数设置。

本文是以海上风场尽可能排除导致故障因素为前提展开分析。实际上诸多因素均可引起风机故障，强风下反复切出和故障检修之间关系缺乏量化分析。

风机故障引起的损失电量是由当地风资源条件及风资源的季节性分析共同决定的。广东沿海风资源条件劣于闽浙沿海，高风速满发时段集中在夏季强热带风暴过境期间，延长风机再切入时间死区将导致高风速时段停机，可能对年利用小时数产生较明显的影响；而闽浙沿海高风速时段集中在秋、冬季节，夏季平均风速最小。有可能选择较长的再切入时间死区也不会对年利用小时数产生明显影响。

风力发电机的机型选择在很大程度上决定了抗台风的效果。在再切入组合死区的设置也应考虑不同机型可能的影响。

[1] 张镇, 关书强. 风电机组故障统计分析研究[J]. 风能， 2013， 3(8): 68-71.

[2] 方海洋,曲荣海,唐跃进,等. 13.2 MW海上超导直驱风力发电机设计[J]. 南方电网技术,2015,(12):70-79.

[3] 鲁宗相, 程丽娟, 乔颖, 等. 计及风资源约束的双天气模态海上风电系统可靠性评估[J]. 电网技术， 2015，39(12): 3536-3542.

[4] 蔡蓉, 岳程燕, 谢海莲. 传输大规模陆上风电的传统高压直流输电系统控制策略[J]. 南方电网技术,2015,9(5):32-39.

[5] 庞亮, 徐峰, 龚昕, 等. 热带气旋对海上风电支撑结构的影响研究[J]. 中国海洋大学学报， 2015，45(10): 109-113.

[6] ANTHONIS J, SEURET A, RICHARD J P,et al. Design of a pressure control system with dead band and time delay[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2007, 15(6): 1103-1111.

[7] 张强, 曾剑, 姚桐. 植被下垫面近地层大气动力状态与动力学粗糙度长度的相互作用及其参数化关系[J]. 科学通报, 2012, 57(8): 647-655.

[8] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/T 19201-2006. 热带气旋等级 [S]. 中国质检出版社, 2006.6.

Re-cutin Control of Wind Turbines Based on Wind Speed and Dead Time

YIN Zuliang1,2, SU Sheng1,2, TENG Mingxing1,2, CHEN Zhong1, YANG Hongming1

(1. Hunan Key Laboratory of Smart Grids Operation and Control,Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114,China; 2. Guangdong Key Laboratory of Green Energy Technology, Guangzhou 510006,China)

Wind turbines may cut out and re-cutin repeatedly once the wind fluctuates around the cutout speed. The excessive stress induced by frequent cut out and re-cutin may enhance the chance of component failure and negatively impact reliability of wind turbines. This paper proposes a re-cutin control method of wind turbine on the basisi of wind speed and dead time so as to avoid frequent cut out of wind turbines. The induced parking time per reduction in cut-out are utilized to determine parameters configuration. In accordance with the 10-minute wind data in HK, it analyzes the performance of the proposed method. It shows that the proposed method outperforme the existing approach in both reductions in time of cut out and the cost of parking time. With this mehod, the wear caused by frequent cut out can be avioded to a large degree, and the reliability and safety of wind turbines can be enhanced.

wind turbine unit; combined dead zone; re-cutin wind speed

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.05.07

TM614

A

1007-2691(2017)05-0048-06

2017-03-08.

国家自然科学基金重点项目(71331001)；湖南省科技厅科技计划项目(2016WK2016)；湖南省教育厅科研项目(14K002;2014ZNDL003).

尹祖亮(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为风电场运行分析与控制；苏盛(1975-)，男，教授，研究方向为数据挖掘与分析的研究等；滕明星(1993-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统信息安全。